中心固定组合矢量水听器结构变化形式研究∗

王冬冬 侯 明 谢 攀

（1.海军航空大学青岛校区 青岛 266041）（2.中国人民解放军91388部队94分队 湛江 524022）

1 引言

组合矢量水听器能够同时测量水下声场标量信息和矢量信息[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]。文献[4～5]设计并研究了一种可通过中心位置固定安装的组合矢量水听器，其结构紧凑、安装方式合理，适合水下小尺寸平台的安装使用，在工作频带内可准确测量声场中声压与质点振速信息，兼具实用意义与推广价值。

为丰富中心固定组合矢量水听器的结构形式，拓展其应用范围，并考察固定中心支柱的悬挂安装方式与传统框体悬挂方式对质点振速水听器接收性能的影响，本文将根据中心固定组合矢量水听器的结构特性，通过变换压电元件和柔性层的相对位置，给出一种结构变化形式；通过分析振速通道的等效电路模型，获得该结构变化形式水听器的电压灵敏度表达式；对这两种水听器质点振速的响应性能做出比较分析，总结其异同。

2 结构变化形式设计方案

2.1 结构与原理

图1所示为中心固定组合矢量水听器的一种结构变化形式。工作时，声波通过刺激压电圆环，使其产生与水质点相同的运动，以此获得声压信息。同时，该振动传递到与其相连的压电元件之上，使得压电元件产生的振动与压电圆环的振动相同，同时该振动也与外部水质点相同，以此测量质点振速信息。在此过程中，压电圆环与压电元件的运动通过内壳传递给柔性层，并在柔性层中产生弹性力，以此保证压电圆环、压电元件和内壳的振动与水质点振动相同。

图1 组合矢量水听器结构变化示意图

2.2 接收响应分析

本文所设计研究的组合矢量水听器，其声压水听器灵敏度的计算方法与普通压电圆管水听器无异[6～7]，不做赘述。

针对该组合矢量水听器振速通道接收灵敏度，此处通过等效电路法进行研究。图2为振速水听器一维通道的简化模型如。Fs≈jω(ms+mi)vs，表示声波对振速水听器的作用力[8]；my、mn、ms和mi分别表示压电圆管、内壳、水听器排开水柱和共振的质量；vs、vy和vn分别表示水质点、压电圆管和内壳的振速；Rp、kp、R和k分别表示压电元件和柔性材料层的阻尼和刚度。压电元件（3-3极化模式）的机电转换系数为

图2 一维通道简化模型

图3所示为一维振速通道的等效电路模型，对应的动力学回路方程为[9～10]

可求得该水听器振速通道电压响应表达式为

图3 等效电路模型

3 接收响应对比分析

通过上述分析可知，该结构变化形式组合矢量水听器结构及接收性能与中心固定组合矢量水听器存在差异。

1）结构及所测物理量

声波激励中心固定组合矢量水听器的外壳产生振动，并通过柔性材料层的传递，使得内壳及压电元件产生与水质点相同的振动，因此，压电元件在此激励下产生的电信号正比于质点振速，从而获得质点振速信息。其测量本质是内壳的绝对运动。而结构变化式组合矢量水听器工作时，声波是作用于“敏感质量块”（即压电圆环）上，实际测量的是“壳体”与“敏感质量块”的相对运动。

2）柔性元件

柔性元件和压电元件的组合方式发生改变，中心固定组合矢量水听器的结构与接收性能也将发生改变。根据中心固定结构及其结构变化式水听器这两种水听器的等效电路模型可知，柔性材料层和压电元件的连接方式为并联，因此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。

3）接收灵敏度

比较质点振速响应表达式可知，在工作频带内，结构变化式水听器的接收灵敏度随着入射频率升高而降低，适合低频工作；中心固定组合矢量水听器对质点振速的接收灵敏度与频率无关。此外，对于中心固定结构水听器及其结构变化式水听器，可通过调整压电材料而改变振速灵敏度，而传统的外置框体悬挂式水听器，其压电材料一旦确定后，接收灵敏度即被确定。

4 结语

本文给出了中心固定组合矢量水听器的一种结构变化形式，并研究了该变化形式水听器的接收特性；从结构及所测物理量、柔性元件和接收灵敏度三个方面分析了中心固定式及其结构变化形式矢量水听器的异同。研究表明：结构变化形式水听器具有与中心固定组合矢量水听器相同的尺寸优势与安装优势，且其工作频率低，这丰富了中心固定组合矢量水听器的结构形式，调整了其工作频率范围，使得其拥有更广泛的应用范围。