矢量水听器性能参数测试及分析

韩梅，孙相杰，孙芹东，笪良龙



矢量水听器性能参数测试及分析

韩梅，孙相杰，孙芹东，笪良龙

(海军潜艇学院，山东青岛 266071)

随着声呐探测系统性能和稳定性的不断提高，矢量水听器因能同时共点测量声波的声压和振速信息，已开始应用于声呐探测系统。为保障海上实验，设计制作了胶囊形三维压电同振式矢量水听器。依据比较法测量原理，分别在驻波声管和消声水池中，对矢量水听器的和通道的低频段和高频段进行了灵敏度和指向性测试。测试结果表明，该型矢量水听器灵敏度较高、指向性较好，能够满足海上实验的需求。

矢量水听器；灵敏度；指向性；比较法测量

0 引言

随着对水声科学研究的不断深入，在探测过程中对声呐系统的性能要求也越来越高，这就促进了矢量水听器这种新型水听器的研制及应用。矢量水听器可以同时共点地测量水下声场、得到多种声场信息和获得低频声场信号，因此被广泛地应用于科研实践等场合[1,2]。三维压电同振式矢量水听器具有灵敏度高、指向性对称性好、分辨率高等优点，其应用更为广泛。为了保障实验应用研究，对设计制作的三维压电同振式矢量水听器进行了电声性能参数测试。

1 矢量水听器及其电声性能参数

1.1 灵敏度

矢量水听器的灵敏度一般用自由场声压灵敏度、声压梯度灵敏度和矢量灵敏度来表征[3]。

矢量水听器响应声压这一声场信息时，其灵敏度即为声压灵敏度，它表示矢量水听器输出开路电压和未放入矢量水听器之前矢量水听器声中心位置处的自由场声压之比。

对矢量水听器而言，在平面波场中矢量通道的声压灵敏度和矢量灵敏度之间存在如下的关系式：

1.2 指向性

2 电声性能参数测试

主要对矢量水听器在20~5000 Hz工作频带内进行了电声性能参数的测试，测试过程在某科技工业水声一级计量站完成。其中，20~2000 Hz频段的测试在驻波声管中完成，2000~5000 Hz频段的测试则在消声水池中完成。

2.1 测试原理

测试过程中，采用比较法对矢量水听器进行灵敏度的测试。在低频段，由于流体静力学压力振动的影响，有补偿声压作用在标准矢量水听器上，测得的矢量水听器的灵敏度需要引入修正因子[4]。经过修正后，矢量水听器的声压灵敏度级表达式为：

2.2 测试系统

驻波声管测试系统和消声水池测试系统的系统框图和实物图分别如图3~6所示。

信号源经发射器发射声波信号，待测水听器和标准水听器接收到声波信号以后通过测试放大器和数据采集器在计算机上进行数据处理得到矢量水听器在低频段和高频段的灵敏度和指向性。

2.3 测试结果

根据测量原理，分别在驻波声管和消声水池中对待测水听器的声压通道和三个矢量通道进行了灵敏度和指向性的测试。图7是矢量水听器在工作频带内的灵敏度曲线图，图8、9是在某科技工业水声一级计量站进行指向性测试得到的测试报告扫描结果图。

根据测量得到的各个通道的灵敏度曲线可以看出，声压通道开路电压灵敏度值为-192.7 dB，实测值和理论值基本吻合；在各频点上矢量各通道所测得的灵敏度值和理论值基本吻合且符合每倍频程增加6 dB的规律。在低频段灵敏度曲线的理论值和实测值吻合较好，高频段略有起伏但灵敏度起伏在2 dB以内，满足测量要求。

指向性测试结果显示，矢量通道的指向性并没有在相应的轴向上，而是有一定的角度偏差，这主要是由于矢量水听器测试时的初始入水方向和声源发射声波方向存在一定的角度偏差，但是不影响测试结果和对测试结果的分析。在100 Hz频点上测量结果显示矢量水听器在各个通道上的指向性较好，声压通道具有与频率无关的指向性；矢量各通道指向性具有明显的余弦指向性，指向性起伏，且对称性较好。在3150 Hz频点上测量结果显示矢量水听器在各个通道上同样具有较好的指向性，各个通道的指向性都满足设计要求。相比于低频段，高频段测试是在消声水池中完成，声场环境相比于驻波声管要稍差一些，因此所测量得到的矢量水听器的指向性结果相对要差一些。测量结果显示，在个别通道略微出现了“一头大，一头小”的现象且存在一定的不对称性，这可能是由于在制作水听器的过程中质量配比不均匀或在悬挂水听器的过程中并没有使水听器处于完全自由运动状态造成的。

3 结论

根据对表征矢量水听器性能优劣的指向性和灵敏度的测量结果可以看出，设计制作的三维压电同振式矢量水听器在工作频带内具有较好的灵敏度和指向性，因此设计制作的矢量水听器性能良好，满足实验应用的需求。

[1] 武甜甜. 三维压电矢量水听器小型化的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2009.

WU Tiantian. Study on the miniatrurization of tri-axial piezoelectric vector hydrophone[D]. Harbin: Harbin Engineering University,2009.

[2] 周宏坤. 组合式声接收器的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2009.

ZHOU Hongkun. Study of combined acoustic receivers[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012.

[3] 陈洪娟.矢量传感器[M].哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社,2006: 92-95.

CHEN Hongjuan. Vector sensor[M]. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2006: 92-95.

[4] 范继祥. 矢量水听器校准装置研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2007.

FAN Jixiang. Study of vector hydrophone calibration equipment[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2007.

Parameter measurement and analysis of vector hydrophones

HAN Mei, SUN Xiang-jie, SUN Qin-dong, DA Liang-long

(Navy Submarine Academy, Qingdao266071,Shandong,China)

With the development of sonar detect system’s capacity and stability, vector hydrophone can co-locating and simultaneously measures pressure and particle velocity of acoustic field, it has been used in sonar detect system. In order to guarantee sea experiments, the tri-axial piezoelectric co-oscillation capsule vector hydrophone are designed and manufactured. According to comparison measurement principle, the sensitivities and directivities at theandgallery of the vector hydrophone in low and high frequency bands are measured in acoustic pipe and pool. The results of measurement indicate that the vector hydrophone’s sensitivity and directivity meet the requirement of sea experiment.

vector hydrophone; sensitivity; directivity; comparison measurement

TB533

A

1000-3630(2015)-03-0287-04

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.020

2014-04-21;

2014-07-17

韩梅(1967－), 女, 山东淄博人, 教授, 研究方向为水声环境效应。

孙相杰, E-mail: 604166473@qq.com