可刚性固定组合矢量水听器结构设计与响应分析*

谢 攀 谢志强

(91388部队93分队 湛江 524022)

可刚性固定组合矢量水听器结构设计与响应分析*

谢 攀 谢志强

(91388部队93分队 湛江 524022)

设计一种可刚性固定的组合矢量水听器,叙述其基本设计方法；建立中心固定式振速水听器的等效电路模型,详细推导其接收响应表达式,并与传统框架悬挂式振速水听器进行对比分析。结果表明,在设定的工作频带内,该组合矢量水听器可实现声场中声压与质点振速信息的测量；其振速输出响应与入射声波频率无关,主要受柔性材料阻尼、压电敏感材料物理参数影响,响应特征较传统框架悬挂式振速水听器有本质差别。

组合矢量水听器; 振速水听器; 接收响应

1 引言

水下声波同时包含标量信息和矢量信息,传统声压水听器只能拾取标量信息,而无法测量矢量信息。组合矢量水听器兼有声压通道和振速通道,可同步共点测量声场中标量与矢量信息[1],拓宽信号处理空间,提高低频指向性与信号处理增益,受到水声界的普遍重视[2～3]。本文依据压电加速度计的振动特性,结合压电圆管声压水听器的特点[4],设计了一种可刚性固定安装的组合矢量水听器,并分析了它的质点振速响应特性。

2 水听器结构设计与工作原理

2.1 设计依据

将压电加速度计简化为由集中阻尼器C、弹簧K和集中质量m构成的二阶单自由度系统,通过研究其频率特性,获得新型悬挂系统的设计思路。如图1所示,传感器感受到振动体加速度时的运动方程式为

(1)

式中,y为壳体的绝对位移,x为质量块的绝对位移。

图1 加速度计简化模型

令ωn和ζ分别表示加速度计固有频率和阻尼比,y0表示壳体的位移幅值,ω表示壳体的振动角频率,Ur表示该振动系统稳态振动位移的幅值,可求得压电加速度计的幅频特性表达式及其对应曲线为

(2)

图2 加速度计外壳与内部质量块相对位移幅频特性曲线(ζ=0.1)

可见当外壳振动频率远高于系统共振频率时,系统惯性锁死,内部质量块相对外部激励而言将保持原地不动。

由此可考虑用刚性支柱代替加速度计内部质量块,并将水听器通过支柱与工作平台相连。

2.2 结构与原理

组合矢量水听器的结构如图3所示。径向极化的压电圆管满足中性浮力,以保证其振动与所排开水柱振动相同,用于拾取声压信息；柔性材料层使用柔顺系数大的橡胶材料；内壳使用刚性金属材料；内壳通过四块对称的压电陶瓷元件固定于中心支柱之上。

图3 组合矢量水听器结构示意图

工作时,水听器通过中心支柱安装于工作平台之上。在声波激励下,压电圆管便产生与周围水质点同幅同相的振动,同时柔性材料层将该振动传递给内壳,并耦合到压电元件上,压电元件内外表面便产生了比例于中性浮力外壳振动的电信号。同样,此电信号也与周围水质点的振动成比例。

3 接收响应理论分析

不同工作方式与电气连接的陶瓷元件,其灵敏度的计算方法不同。对于本文中的组合矢量水听器,其声压水听器灵敏度与普通径向极化压电圆管声压水听器相同[5～6],此处不再赘述,重点研究振速水听器接收响应。

不考虑压电圆管的电压输出,建立振速水听器一维通道简化模型(图4)。其中,vs、vy和vn分别表示水质点、压电圆管和内壳的振速,my、mn、ms和mi分别表示压电圆管质量、内壳质量、水听器排开水柱质量和共振质量,k,R,kp和Rp分别表示柔性材料层和压电元件的刚度和阻尼,此处Fs≈jω(ms+mi)vs表示入射声波对水听器的激励[7]。压电元件为3-3极化模式,机电转换系数:

(3)

图4 振速水听器一维通道简化模型

图5 振速水听器一维通道等效电路图

分析振速水听器的响应特性,一般通过研究其等效电路模型而获得接收响应表达式[8～9]。如图5所示,其动力学回路方程为

(4)

令σ=ms+mi,ε=mi+my,带入式(4)可得

(5)

其中,S1=R+k/jω+jωε,S12=-R-k/jω,S2=R+k/jω+jωμ。

由此可求得内、外壳体与水质点振速的比值关系为

(6)

输出电压为

(7)

将式(3)带入式(7),可得振速通道对于水介质质点振速的电压响应为

(8)

弹性悬挂系统的固有共振频率决定振速水听器的工作频率下限ωl[10],此处由柔性材料层和水听器排开水柱质量及共振质量决定。压电元件作为一种弹性材料,与内部壳体耦合产生高频共振,决定水听器的工作频率上限ωh。两个限制频率,见式(9)。

(9)

由于水听器外壳满足中性浮力特征,所以当入射声波频率ω满足水听器工作频率,即ωl=ω=ωh时,压电圆管的运动能够准确反映周围水介质质点的运动信息,即有vy/vs≈1,将其带入式(8)可得

(10)

又由式(6)可知

(11)

将S12=-R-k/jω,S2=R+k/jω+jωμ带入式(11)展开,利用代数运算,删减在工作频段内对输出响应贡献较小的量,进一步化简得

(12)

带入式(10)可得在工作频率范围内振速通道电压响应表达式为

(13)

4 接收响应对比分析

4.1 框架悬挂式振速水听器接收响应

给出框架悬挂式振速水听器简化模型(图6),建立对应的等效电路模型(图7)。其中,vw和vm分别表示外壳和质量块的振速,mb和mn分别表示壳体和质量块质量,kp和Rp分别表示压电元件的刚度和阻尼。

图6 框架悬挂式振速水听器简化模型

图7 框架悬挂式振速水听器等效电路模型

回路方程:

(14)

运用与第3节相同的计算方法可求得框架悬挂式振速水听器电压响应表达式为

(15)

由此可知,对于传统框体悬挂式振速水听器,压电元件物理参数及声波入射频率是影响振速通道接收响应的主要因素。当压电元件确定时,其输出电压将随入射声波频率的升高而增大。

4.2 性能分析

比较中心固定式振速水听器及传统框架悬挂式振速水听器对质点振速的响应分析,可知它们在结构及接收性能方面差异较大,具体表现为:

1) 结构及所测物理量

中心固定式水听器工作时,声波作用于“敏感质量块”(即压电圆管)上,其测量的本质是内壳的绝对运动；框体悬挂式水听器则是“壳体”受力,测量的本质是“壳体”与“敏感质量块”的相对运动。

2) 柔性元件

根据等效电路模型(图5、图7)可知,中心固定式水听器压电元件和柔性材料层以并联的方式相连,这使得水听器对质点振速的接收响应受到柔性材料层及压电元件参数的影响；而框体悬挂式水听器柔性元件与压电元件串联,这消除了两者的耦合作用。即框体悬挂式水听器在测量质点振速时,受到的外部干扰更少,比中心固定式水听器的测量结果及性能更加稳定。

3) 接收灵敏度

根据水听器的质点振速响应表达式(13)和(15)可知,在工作频带内,中心固定式水听器对质点振速的接收灵敏度与频率无关；框架悬挂式水听器的接收灵敏度随着入射频率升高而升高,适合高频工作。

5 结语

本文设计了一种可刚性固定的组合矢量水听器,它由压电圆管声压水听器和中心固定式振速水听器构成,运用等效电路法详细推导了振速水听器的接收响应表达式,并与传统框架悬挂式振速水听器接收响应特征进行了对比分析。结果表明: 1) 该组合矢量水听器的振速输出响应与入射声波频率无关,主要受柔性材料阻尼、压电敏感材料物理参数影响,柔性材料和压电陶瓷材料的刚度也有一定的调节作用,但效果有限； 2) 中心固定式振速水听器的结构设计与响应特征较传统框架悬挂式振速水听器有本质差别； 3) 在设定的工作频带内,该型组合矢量水听器能够实现声压信号与振速信号的测量。

该组合矢量水听器通过振速水听器的中心支柱固定安装,在保证振速测量的同时,抛开了传统框架悬挂系统的限制,使得安装更加方便,有效减小了水听器整体尺寸；采用压电圆管测量声压,而无需额外使用声压水听器,进一步简化了组合矢量水听器结构及尺寸。但是该组合水听器要求敏感元件装配一致,对制作工艺要求较高,因此工程化应用需要进一步优化其系统结构。

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Structural Design and Receiving Response Research of A Rigid Fixed Combined Vector Hydrophone

XIE Pan XIE Zhiqiang

(Unit 93, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

A combined vector hydrophone is designed, which can be fixed by the equivalent circuit method, the basic design method is described, the equivalent circuit model of the center fixed velocity hydrophone is built. And the response expression of the vibration velocity hydrophone is derived. Comparative analysis is carried out with the traditional frame suspension velocity hydrophone. The results show that in the setting of the band, the combination of the vector hydrophone can measure the sound pressure and particle velocity information, the velocity output response has nothing to do with the incident wave frequency, mainly by the flexible material damping and the influence of piezoelectric sensitive material physical parameters, the response characteristics compared with the traditional frame suspension velocity hydrophone has essential difference.

combined vector hydrophone, vibration velocity hydrophone, receiving response

TB565

2016年9月8日,

2016年10月17日

谢攀,男,硕士,助理工程师,研究方向:水下靶标结构设计。谢志强,男,硕士,工程师,研究方向:水下靶标结构设计。

TB565

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.031