水声驻波声管在矢量水听器校准技术中的应用

陈洪娟，费 腾

（1.哈尔滨工程大学，水声技术重点实验室，哈尔滨 150001；2.海洋信息获取与安全工信部重点实验室（哈尔滨工程大学），工业和信息化部，哈尔滨 150001；3.哈尔滨工程大学，水声工程学院，哈尔滨 150001；4.杭州应用声学研究所，杭州 311400）

1 引 言

2022 年4 月，习近平总书记在三亚考察时，强调“要推动海洋科技实现高水平自立自强，加强原创性、引领性科技攻关”。 因此，在回顾了国内矢量水听器技术从1998 年开始引进到再创新和引领发展近25 年来的发展历程基础上，对于矢量水听器校准技术应用中存在的问题以及获得的研究成果进行了总结和分析，同时考虑到矢量水听器技术未来的发展需求，提出了影响矢量水听器校准精度的几个因素。

目前，矢量水听器及其阵列在水声低频声呐远程探测方面的工程应用已经十分广泛［1］，并且在水声测试与计量领域中对于矢量水听器及其阵列的声学性能进行评价的需求也十分迫切。 因此，无论是对矢量水听器的校准或检定，还是对水声矢量技术装备质量优劣的评价，甚至是对水下矢量声学的发展，都将追溯到对矢量水听器校准技术的研究，因为矢量水听器担负着有关水下质点振速物理量值的获取与量值传递的重任。

2 矢量水听器校准技术发展与成果

2.1 矢量水听器校准技术发展历程

2.1.1 国内外早期发展状况

矢量水听器（主要指同振型矢量水听器，以下同），通常的工作频率范围是（10 ～10 000） Hz，在（1～10） kHz高频段矢量水听器的校准可采用经典的以标准声压水听器为参考的水听器自由场比较校准方法，该方法的适用条件是测量环境必须满足平面自由场条件，而对于主要工作在1 000 Hz 以下频段的低频矢量水听器来讲，在室内水池条件下这一自由场条件很难得到保证，即使在水声一级计量站的大水池自由场中，其测量的低频下限通常也只能到500 Hz 左右，或者需要到外场更大的空间才能进行更低频率的测试，但这会给低频矢量水听器的研制和应用带来巨大阻碍。 国内外，在解决这一问题上均选择了基于水声驻波声管的矢量水听器驻波场测试方法及装置。

众所周知，驻波管法在空气声测量技术中一直是测量各种声学无源材料声吸收系数、声发射系数以及声阻抗率等参量的重要手段，并获得良好效果，该方法不仅使某些声学参数在低频范围内的测量研究成为可能，而且使驻波声管在声学测量各分支领域得以广泛应用。 因此，当矢量水听器遇到低频灵敏度校准难题时，驻波管又一次得到关注。 在水声领域最早是1962 年，美国F. Schloss 等人开始采用声管对矢量水听器进行校准的，他们在JASA杂志发表的文章中给出了校准装置实物照片，采用的是经典振动液柱法原理，其测试系统如图1 所示。 该装置主要包括两部分：一是充水圆柱形声管，内部为测量声场且上端开口；二是振动台，用于激励“整个圆管和水”产生整体振动，理论上要求振动台能够驱动整个圆管作垂直振动，这样圆管内的水柱可以看作“整体”在做简谐振动，从而在水柱中形成驻波。 但实际上，由于该方法要求声管的壁厚要相当于内径的一半，因此低频时整体声管的质量很重，对振动台的负载要求很大，所以测试低频下限受到限制［2］；之后，美国CBS 实验室Bauer 在1966 年到1971 年五年间分别发明了Mark⁃I 型及其改进型Mark⁃II 和Mark⁃III 型三种型式的驻波管。其中，在Mark⁃I 型装置中驻波管是横卧、全封闭的，且用弹簧悬置在一个固定框架内，而激励用的机械振子安装在声管的一端，如图2 所示。 这种结构不仅能够避免在振动液柱法中由于竖直声管的质量对激励振子形成的负载效应，而且可以相对减少环境振动产生的干扰影响［3］；而改进的Mark⁃II 型装置采用的薄壁结构，如图3 所示，能够在（5～500） Hz 频段内进行矢量水听器的校准。 Mark⁃III 型装置采用的是厚壁结构，可校准的频段范围为（5～2500） Hz，这两型改进装置的测试频率范围更宽，且结构中有部分开口使用时更方便［4］。 同一时期，前苏联在实验室对矢量水听器进行校准也主要是采用振动液柱法的基本原理来进行校准装置的研究。

图1 振动液柱法测试系统实物图Fig.1 Picture of measurement System base on method for a vibrating liquid column

图2 Mark⁃I 型测试系统实物图Fig.2 Picture of measurement system of the Mark⁃I type

图3 Mark⁃II 型测试系统实物图Fig.3 Picture of measurement system of the Mark⁃II type

国内，早在上世纪80 年代哈尔滨工程大学郑士杰、莫喜平等就成功研制出第一套矢量水听器校准系统，如图4 所示，结构与Mark⁃I 型类似。 该系统能在实验室条件下完成对矢量水听器的灵敏度测量和指向性图测量，有效工作频带为（20～2 000） Hz［5］。

图4 中国第一套矢量水听器校准系统原理框图Fig.4 Block diagram of the first calibration system of vector hydrophone in China

2.1.2 国内发展现状

目前，国内矢量水听器低频校准方法及校准装置均采用改进的驻波场比较法，该方法的基本原理来自于上个世纪90 年代末期哈尔滨工程大学杨士莪、杨德森两位院士对俄成功引进的矢量水听器技术项目，后续在国防相关计量机构的支持和专业技术人员的努力下，经历了对国外技术的消化、吸收、理解和再创新过程，形成了目前具有自主知识产权的矢量水听器驻波场校准方法［6］，并建立了相应的校准装置［7］，且于2021 年12 月28 日发布了国家计量检定规程《JJG 1182—2021：20 Hz－1 kHz 矢量水听器》，已于2022 年6 月28 日开始实施［8］。

在引进技术中矢量水听器校准系统的声管壁厚为50mm，由于声管较薄，理论上在低频工作时管壁弹性振动会引起管内声场畸变［9］。 但由于该系统设计时与其配套的激励器采用的是压电片堆结构，由九个压电柱堆构成，每一柱堆含有八个压电圆片［10］，激励器实物和系统如图5 所示，其低频时的振动幅度较小，所以引起的管壁振动不明显，但相应的辐射声场强度也较低，从而造成低于100 Hz频率测试时的信噪比不高，从而影响校准工作带宽及精度。 在此基础上，哈尔滨工程大学陈洪娟教授课题组和杭州应用声学研究所费腾研究员团队分别同时在后续十余年间，在国防技术基础项目支持下，对声管结构、激励器以及自动控制机构和自动化测量等方面不断进行改进、完善和创新［11－14］建立了各方面测试性能更先进、水平更高的矢量水听器测试系统，如图6 所示。 目前，国内水声一级计量站研制的矢量水听器驻波场校准系统的工作频带低频下限已扩展至5 Hz，有效频段为（5～2 000）Hz，使用两只校准管覆盖整个校准频段，大校准管内径为420 mm，工作频率范围（20～1 000）Hz，可校准的被校件最大尺寸为Φ210 mm；小校准管内径为300 mm，壁厚为300 mm，工作频率范围（400～2 000）Hz，可校准的被校件最大尺寸为Φ100 mm，比较法测量不确定度为1.4 dB（k＝2），该垂直驻波管比较法校准装置在中俄矢量水听器校准国际主导比对中表现优异［15］。

图5 俄罗斯引进的矢量水听器校准系统及激励器实物图Fig.5 Picture of calibration system of the vector hydrophone and transmitter from Russia

图6 中国研制的矢量水听器校准系统实物图Fig.6 Picture of calibration system of the vector hydrophone in China

同时，随着矢量水听器在水声探测领域的广泛应用，国内多家从事矢量水听器研究的高校和研究所等机构对矢量水听器校准装置的需求日益增加，目前拥有矢量水听器驻波管校准系统的单位有中北大学、中电13 所、中船726 所、612 厂、湛江四海区等。

2.2 矢量水听器校准技术研究成果

目前，国内矢量水听器驻波场校准装置是依据刚性圆管波导理论建立的，满足该理论模型的两个物理条件：一是要求管壁完全声学刚性，这对于低频情况很难实现；二是要求端面辐射条件等幅同相振动，这对于激励器的设计要求比较苛刻。 因此，在实际校准装置的工程实现过程中总会产生实际声场的畸变，从而影响校准结果。 针对这一校准问题，作者通过长期大量的实验测试和理论仿真对驻波管声场进行了研究和分析，积累了较多的校准经验且获得了一些研究成果。

2.2.1 高频失真

采用驻波管比较校准方法时，标准声压水听器和被测矢量水听器在驻波声管中的置放关系有两种方式：一是两者同时放置在同一深度，即选择管中同一水平面上的某两点处；二是两者沿声管轴向放置在不同深度，即选择同一垂直面（轴向）上的某两点处。 选择前者是考虑平面驻波场中同一水平面上的各点处声压幅值应该相同，选择后者是考虑同一轴向上的任意两点处声压幅值之间的关系明确。但在实际校准中，这两种置放方式都存在高频限制。

首先，通过对驻波管内声场的空间分布特性进行测试，可以发现：高频时，管内声场水平方向的起伏较大。 测试时，在整个校准装置的工作频带内从高到低选择若干个频点，每个频点下在距离声管水－空气界面不同深度上再选择若干个水平面，以水平面中心为原点、选择若干个半径，进行声场扫描。2 000 Hz时在距离声管水－空气界面20 cm 深度上，以扫描半径R分别为4 cm，8 cm，12 cm，14 cm 测试的水平方向声压起伏曲线如图7 所示。

由图7 可以看到：在2 000 Hz 时，当扫描半径R＝14 cm 时（管径35 cm），声压起伏最大处大于4 dB，这样测试时如果采用第一种水听器置放方式就会出现高频灵敏度失真现象。

图7 水平声压分布曲线图Fig.7 The curve of pressure distribution in x⁃y plane

其次，通过软件对驻波管内声场的空间分布特性进行仿真，也可以发现：高频时，管内声场沿轴向会出现非常明显的驻波分布，如图8 所示，因此采用第二种水听器置放方式时必须避免两只水听器放在凹点处，否则由于激励信号太弱使信噪比降低也会出现高频灵敏度失真现象。

图8 轴向声压分布图Fig.8 Diagram of pressure distribution in z axis

综上所述，当管径为350 mm 时，驻波管比较校准装置最佳校准频率上限约为（500～800） Hz 为宜。

2.2.2 低频失真

采用驻波管比较校准方法时，引起矢量水听器灵敏度测试结果低频失真的主要原因是激励器低频辐射强度低导致的低频信噪比不够，以及被测水听器悬挂结构与校准系统安装结构低频耦合和测试环境等存在的低频振动干扰等。 比如，在低频段12.5 Hz 处由于矢量水听器悬挂结构影响（仿真验证）导致出现灵敏度校准结果的低频失真，测试结果如图9 所示。

图9 低频灵敏度失真曲线图Fig.9 The curve of Sensitivity distortion in low frequency range

2.3 矢量水听器校准技术未来研究方向

如上所述，矢量水听器低频驻波管比较校准方法及校准装置的理论模型和实际声场之间在某一频带内存在不相符问题，因此，为了使该方法能够在更宽的频带内获得更高的校准准确度，需要对影响管内声场的各种因素进行分析，其中主要的包括激励器辐射面振动速度的分布形式，目前考虑的多是等幅同相振动或者轴对称分布；同时，还有声管结构与管内流体之间的耦合振动，目前考虑的是管壁足够厚的情况较多；另外，环境震动会带来严重的低频干扰，影响管内的驻波声场分布，需要通过低频减振设计或者选择合适的安装地点来减小环境震动干扰。

随着矢量水听器应用的日益广泛，对矢量水听器除灵敏度、指向性之外的相关声学指标的评价需求也越来越紧迫，比如矢量水听器的动态范围，特别是等效自噪声水平的校准。 2019 年，哈尔滨工程大学在现有低频驻波管校准系统基础上研究了矢量水听器动态范围测试系统，如图10 所示［16］。

图10 矢量水听器动态范围测试系统实物图Fig.10 Picture of Measurement system of dynamic range for vector hydrophone

如文献［15］所述，矢量水听器在高于500 Hz以上频段已经采用自由场互易法进行绝对校准，因此在低频驻波管开展绝对校准方法研究也是十分迫切的，哈尔滨工程大学于2012 年开始从事矢量水听器绝对校准方法研究，参照一级校准方法振动液柱法，但将加速度计置放在声管内，获得较为理想的低频校准结果，如图11 所示［17－19］。

图11 矢量水听器绝对校准法校准结果曲线图Fig.11 Calibration results of vector hydrophone by absolute calibration method

3 结束语

二十多年来，矢量水听器低频驻波管比较校准方法及校准装置在国内的应用成果十分显著，大大促进了矢量水听器研制与工程应用技术的发展，为矢量水听器技术在国际上实现弯道超车，矢量技术走在世界前列发挥了重要作用。

但随着矢量水听器向低频甚至超低频领域的不断发展，特别是在远海深水环境的应用，都对矢量水听器校准技术提出了更高的要求。 为此，进一步对水声驻波管校准法开展更深入的理论、仿真和实验研究十分必要，包括对弹性圆管进行声学与结构耦合分析建立弹性圆管波导理论，并考虑内部被测水听器对声场的散射影响，对封闭驻波管中水听器灵敏度－压力测试装置进行研究，满足水听器高静水压下校准需求，以及对适合驻波管的超低频激励发射换能器进行研制，提高驻波管内声场分布特性，还有解决高低频失真导致的测试频带变窄等问题。

综上所述，水声驻波管校准法未来在矢量水听器及其阵列技术的发展中还将发挥重要作用。