一种基于共振腔的新型水听器探究

李 健，王 欣，陈世利,黄新敬

(天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072)

0 引言

水听器可以在水下将声信号有效地转化成电信号，通过处理电信号实现对声信号的应用，达到水下目标探测或水下信息提取的目的[1-3]。大多数水听器工作在共振频率的频段，频率响应平坦，可以接收宽频信号或用于标准水声计量。而一些探测和通讯用的水听器则工作在共振频率处，以便在特定频率有尽可能高的灵敏度，而在其他频率处灵敏度较低，以抑制环境噪声的干扰。

实验证明，在非共振范围内水听器灵敏度要远低于共振频率周围的灵敏度[4]，且略微依赖于频率[5]。国内外学者已开展了很多利用共振现象来提高水听器灵敏度的研究。Lotsberg利用共振频率附近的水听器来研究充气气泡的非线性发射[6]。Medeiros 利用压电陶瓷在其共振频率下做超声成像，与其他频率相比，其灵敏度更高，成像更清晰[7]。王伟研究了具有两个共振频率的磁电复合材料压电陶瓷(PZT)环，提高了灵敏度和共振位移的分辨率[8]。杨曾涛等研制了新的1-3复合型压电水听器，研究了压电水听器的动态模型和频率响应，利用共振频率来提高对弱信号的灵敏度[9]。李世平等通过亥姆霍兹(Helmholtz)共振原理，利用液腔结构，可以有选择性地提高液腔结构附近的灵敏度，更适用于窄带应用[10]。Sadeghpour将两个半球壳压电陶瓷拼接制成球形，利用其一阶共振模态发射和接收超声波进行水下通信，其共振频率与球壳厚度有直接关系[11]。

上述共振型水听器都是利用压电陶瓷敏感元件本身的共振，其共振频率与壳体尺寸和材料属性有密切关系。此外，还有一些共振型水听器是利用壳体内部的液体腔的共振，如工作在中低频的Helmholtz共振腔水听器，共振频率与内部液体腔体的形状和尺寸有关[12-14]，传统水听器被放置在液体腔中。

本文提出了一种新型的共振空腔型水听器，与上述共振型水听器不同，利用球形封闭腔内部的空气腔共振，采用麦克风来感知从球外水域透射到空气腔内的声压。该水听器利用共振效应，在共振频率附近灵敏度和信噪比高。与其他传统水听器相比，其成本低，制作简单，可用于水下通信，水声引信、水下测距等。

1 工作原理

设计的水听器结构为内部中空的球形，球壳内部置入麦克风来测量从外部水域投射进来的声音。整体水听器模型如图1所示。图中，R1为球中空部分半径，T为球壳厚度。

图1 水听器模型

在二维轴对称频域仿真中，几何模型和仿真设置如图2所示。在声固耦合物理场内进行频率扫描，频率为1～40 kHz，步长为200 Hz。选取空气腔内部M点绘制频率响应曲线。

图2 二维轴对称仿真模型

图3为R1=8 mm，T=0.8 mm的水听器仿真得到的频率响应曲线。由图可知，水听器在14 200 Hz、22 800 Hz、30 800 Hz处出现特征峰。由于水听器可能是在球壳和球壳内部空气腔两个部分发生共振。因此，为了合理设计水听器的工作频率和结构尺寸，通过有限元仿真确定水听器的共振频率来源于球壳还是球内空气腔。

图3 频率响应曲线

对T=0.8 mm的球壳在固体力学物理场进行特征频率的仿真；对R1=8 mm的空气腔使用图1所示模型在压力声学物理场进行特征频率的仿真。分别将两者仿真得到的特征频率与频率响应曲线的特征峰做对比，如表1所示。

表1 特征频率对比

由表1可知，频率响应特征峰与空气腔特征频率接近，与球壳特征频率有较大偏差。图4、5分别为扫频获得的特征频率处的声场分布及模态分析获得的空气腔在特征频率的声场分布。由图4、5可知，二者的声场分布基本相同。因此，该水听器的共振频率只与空气腔有关，与球壳振动无关。

图4 二维轴对称仿真特征峰声场分布

图5 空气腔仿真特征频率模态

为了进一步验证水听器共振频率与球壳无关，在不改变水听器空气腔半径的情况下，改变球壳厚度，得到在不同球壳厚度下球内空气腔的频率响应曲线，如图6所示。球壳厚度的改变使球壳因刚度改变，其共振频率必然改变，但球内空气腔的共振频率未改变。因此，该水听器的工作频率只与球内空气腔的尺寸有关。

图6 不同厚度下特征频率仿真

得出此结论后对其他尺寸水听器进行有限元仿真来证明其规律的普遍性。有限元仿真分别计算了R1=5 mm、16 mm的水听器。仿真得到的频率响应曲线如图7、8所示，分别将扫频曲线特征峰处的声场与空气腔特征频率的声场相比，如图9～12所示。由图可知，频率响应特征峰与空气腔特征频率接近，对应的声场分布几乎相同，水听器共振频率只与空气腔特征频率有关，与R1=8 mm水听器仿真结论相同。

图7 R1=5 mm水听器频率响应曲线

图8 R1=16 mm水听器频率响应曲线

图9 R1=5 mm二维轴对称仿真特征峰声场分布

图10 R1=5 mm空气腔仿真特征频率模态

图11 R1=16 mm二维轴对称仿真特征峰声场分布

图12 R1=16 mm空气腔仿真特征频率模态

在得到水听器共振频率只与空气腔有关的结论后，保持T不变，利用仿真参数化扫描功能改变R1，探究球内部空气腔与水听器一阶共振频率的关系，结果如图13所示。有限元仿真表明，随着R1变大，球的一阶共振频率显著下降，二者互为倒数。

图13 特征频率与空气腔半径的关系

2 传感器制作

本设计中使用的微型水听器是将麦克风芯片电路封装在一个空心球壳中。空心球壳使用 3D 打印的方式加工，方便快捷，成本较低，打印材料为光敏树脂，透声性良好。麦克风芯片被固定在球内，信号引脚通过长导线从小球上的孔中伸出来。仿真时可发现球内声场不均匀，因此，制作小球时，麦克风需准确固定在小球球体的正中心位置，图14为水听器制作与实物图。

图14 水听器制作与实物

3 实验验证

3.1 频率响应实验

上位机通过NI数据采集卡发射5～40 kHz激励信号，经过功率放大器放大后，输入到换能器中发射。将制作好的水听器放置在水缸中心处，通过采集卡采集水听器的输出信号，传入电脑进行后处理，得到频率响应曲线。图15为实验装置图。

图15 实验装置

图16 实验测量频率响应

由于用于声源发射的换能器和球内接收信号的麦克风的频率响应不平坦，因此需要进行归一化处理，消除换能器与麦克风对水听器频率响应的影响后得到实际频率响应曲线。图16、17分别为实测水听器频率响应曲线及其局部曲线图，其测量得到的特征峰频率为14 300 Hz、22 600 Hz、30 800 Hz，与表1的仿真结果接近。

图17 实验测量频率响应局部

3.2 灵敏度与信噪比

测量灵敏度时，声源发射频率根据水听器的频率响应曲线选择。实验选取了水听器接收信号最大时的频率(30.8 kHz)。将标准水听器与所设计的水听器放在一起，进行不同声压的灵敏度测试，以前者为参照计算得到共振腔水听器的灵敏度。其中，在前置放大倍数为30 dB时,标准水听器TC4013的灵敏度为0.84 mV/Pa(通过其数据手册获得)。在实验室内不同的声源激励峰值电压下(10～400 V)，共振腔水听器的灵敏度为8.03～8.62 mV/Pa(见图18)，较稳定。测试结果表明,共振腔水听器灵敏度约为标准水听器灵敏度的10倍，且在信号较小时灵敏度更大，这有利于微小信号的测量。

图18 灵敏度

在有限元仿真中，分别采用光敏树脂、铝合金和不锈钢作为球壳材料，测量球内同一位置的声压，在30.8 kHz下，声压分别为0.886 00 Pa、0.084 103 Pa和0.028 700 Pa，表明光敏树脂材料球壳水听器的灵敏度是铝合金材料球壳水听器的10.5倍，是不锈钢材料球壳水听器的30.8倍。不锈钢和铝合金透声性差，灵敏度较低，但硬度高，在水中更耐压，而光敏树脂透声性好，用它做球壳材料的水听器灵敏度高，但硬度较低。在使用中可根据实际应用选择球壳材料。

声源发射信号后，用共振腔水听器和标准水听器同时接收信号来比较两者的信噪比。随着换能器的激励电压变大，发射信号变大，信噪比提高(见图19)。在信号较小时，共振腔水听器和标准水听器的信噪比均较小。整体来看，共振腔水听器与标准水听器的信噪比差距很小，共振腔水听器的信噪比比标准水听器信噪比高5 dB。

图19 信噪比曲线图

3.3 时域响应

为了获得水听器的时域响应，使用换能器发射超声调制脉冲信号，采用的信号公式为(1-cos(2×pi×f/n×t))×sin(2×pi×f×t)×(t12，这是因为声音在水缸内被水缸壁多次反射的结果。

图20 时域信号

图21 时域信号局部

4 结束语

本文利用共振空气腔结构设计了一种新型的低成本、高灵敏度水听器。通过有限元分析，证明该水听器共振频率只与空气腔有关、与壳体无关，并实验证明了上述分析的正确性。实验表明，共振空气腔结构的水听器在其频率响应的特征峰处可有更高的灵敏度和信噪比。优良的频率选择和放大作用使其特别适用于水声通信、水下测距、水下探测等窄带应用场合。通过调整空气腔尺寸可以灵活和准确地调节水听器的共振频率，以满足不同的工作频率需求。