The Design and Implementation for Three Dimension Co-Vibrating Vector Hydrophone*

SUN Qindong，HOU Wenshu，WANG Wenlong，WANG Chao（Navy Submarine Academy，Qingdao Shandong 266042，China）



The Design and Implementation for Three Dimension Co-Vibrating Vector Hydrophone*

SUN Qindong*，HOU Wenshu，WANG Wenlong，WANG Chao
（Navy Submarine Academy，Qingdao Shandong 266042，China）

A three dimension co-vibrating vector hydrophone combined with pressure channels and vector channels was designed and implementationed according to partical engineering requirement.The shape of the vector hydro⁃phone is a cylinder with two caottes.The size is Φ54×72 mm，and the working frequency rang is from 20 Hz to 2 000 Hz.Its perfoemance was measured in standing wave pipe of National Defence Underwater Acoustics Calibration Labroatory.The result of shows the pressure sensitivity of pressure channels is-192.7 dB（0 dB ref 1 V/μPa），with direction performance of equal，and the pressure sensitivity of vector channels is-185.3 dB（measuring frequency is 500 Hz，0 dB ref 1 V/μPa）with direction performance of cosine.The designed and manufactured of vector hydro⁃phone has high sensitivity，good consisitency，easy to use，meet the needs of partical engineering application.

co-vibrating；vector hydrophone；three dimension；sensitivity；direction

矢量水听器是一种新型水下声信号接收器，其通常包含声压水听器和矢量水听器两部分，声压水听器敏感元件为按不同方式极化的压电陶瓷，矢量水听器敏感元件可以是加速度传感器、速度传感器或位移传感器，维数可以根据需要做成一维、二维或三维［1］。矢量水听器矢量通道具有与频率无关的余弦指向性［2］，相比于传统声压水听器来说，单矢量水听器通过声压和振速联合信息处理，能有效抗各向同性噪声干扰，如果将矢量水听器组成阵列，能够增大阵列空间增益，还可以解决传统声压水听器阵列在定向时的左右舷模糊问题［3-4］。

近年来，随着潜艇减震降噪技术的进步，潜艇辐射噪声甚至接近海洋背景噪声［5］，并且噪声频率向低频方向发展，因此，对现代探潜声纳提出了更高的要求，常规声纳已不能满足应用需求。文献表明：2004年，美国Naval Surface Warface Center利用5元矢量水听器垂直阵在阿拉斯加附近海域所测环境噪声谱级比声压水听器低6 dB～8 dB［6-7］左右，矢量水听器的出现及其工程应是应对低频、远距离、弱信号辐射噪声探测的有效办法，因此，矢量水听器成为水声传感器研究的重点［8-9］。本文出于实际海上实验需要，开展同振式三轴向矢量水听器的研究。

1　矢量水听器设计声学理论

声波在理想流体介质中传播时，遇到物体表面声学特性和水介质特性不连续的介质时会发生声散射现象。圆柱形矢量水听器相比于水介质近似为声学刚性，将其放入水下声场中时，其声学特性与水介质不连续，在矢量水听器表面会存在声散射波，由于散射波的存在，声场中声压会产生畸变。因此，刚性圆柱形声接收器放入水下声场中接收到的声压信息是入射声场和散射声场的叠加。

对满足声学刚性、圆柱形声接收器理论研究可知，如果圆柱形声接收器的尺寸满足k∙a<<1，其中k为波数、a为圆柱形声接收器的最大线性尺寸，则其在水下声场中声波作用下作自由运动时，圆柱形声接收器振动速度幅值V与声场中未放入声接收器之前其等效声中心所在处水质点振动速度幅值V0之比关系表达为［10］：

通过对公式（1）分析可知，如果圆柱形声接收器平均密度与水介质密度相等，则将其放入水下声场中时，其振动速度幅值V与其未放入声场中时等效声中心所在处水质点振动速度幅值V0相等，因此，只要在圆柱形声接收器内部封装能拾取水下振动信息的传感器，即可获取声场中圆柱形声接收器等效声中心所在处水质点振动信息。

本文设计、制作矢量水听器外部形状为柱体两端带半球帽的圆柱体，理论研究表明：该形状矢量水听器声接收特性可以近似用圆柱形矢量水听器声接收特性进行表征［11-12］。

2　敏感元件选取与测试

2.1声压通道敏感元件选取与测试

鉴于本文设计、制作矢量水听器外形为柱体两端带半球帽的圆柱体，矢量水听器声压通道采用径向极化压电陶瓷圆管作为敏感元件，该类型敏感元件结构简单，且沿半径方向具有均匀的指向性，灵敏度高，其详细参数如表1所示。

表1　声压通道敏感元件详细参数

压电陶瓷圆管内部填充玻璃微珠和环氧树脂复合泡沫材料，外部用聚氨酯密封材料包裹，在实际工作时假设压电陶瓷圆管内表面不受压力，外表面受均匀的外部声场压力，管端不受力，可以得到声压通道开路电压接收灵敏度为［13］：

式中ρ=a/b，为压电陶瓷圆管内外半径之比，将表1中声压通道敏感元件详细参数带入公式（2）中，可得到声压通道开路电压接收灵敏度级随材料参数变化曲线，如图1所示。

图1　声压通道灵敏度级特性曲线

从图1中声压通道灵敏度级特性曲线可已看出，根据所选用压电陶瓷详细参数，矢量水听器声压通道灵敏度级为Mp=-192.7 dB（0 dB=1 V/μPa），且该种极化方式压电陶瓷圆管的开路电压接收灵敏度级随着压电陶瓷圆管外半径的减小而减小、随着管壁厚度的减小而增加。

在矢量水听器整体设计、制作之前需要对矢量水听器声压通道敏感元件进行阻抗特性曲线测试，以检验敏感元件频率响应。图2为应用安捷伦4294A型阻抗分析仪测量压电陶瓷圆管所得阻抗特性曲线。可以看出，其谐振频率f0=21.97 kHz，低频段频率特性曲线近似为一条直线，本文设计矢量水听器上限工作频率为2 000 Hz，满足水听器的谐振频率是其上限工作频率3倍～5倍的要求。

图2　压电陶瓷圆管阻抗特性曲线

2.2矢量通道敏感元件选取与测试

本文设计矢量水听器矢量通道要求灵敏度高、低频响应特性好、各通道频率响应一致性好，由于压电加速度传感器具有灵敏度高、体积小、重量轻、测量范围广、使用寿命长等优点，最终选定三轴向压电加速度传感器作为矢量通道敏感元件。

为检测加速度传感器实际性能，采用传感器振动测试系统对其性能进行测试，测试系统主要组成包括：B&K4808振动台、B&K8305标准加速度计、B&K2719功率放大器、B&K2647阻抗变换器、NI振动校准软件。测试时由B&K4808振动台提供10 Hz～2 000 Hz频率范围振动激励，加载加速度为1 gn，待测加速度传感器背靠背刚性安装于B&K8305标准加速度传感器上方，其电压灵敏度为2.8 V/gn，应用比较法校准，由于测试三轴向加速度传感器灵敏度相同、频带一致，这里只给出x轴向频响特性曲线。

从图3测试的频响曲线来看，在10 Hz～2 000 Hz测试频带内幅频特性曲线和相频特性曲线较为平坦，灵敏度幅值在通频带内起伏小于0.4 dB，能满足矢量水听器矢量通道要求。

图3　加速度传感器x轴频响特性曲线

3　矢量水听器设计与制作

本文设计、制作同振式矢量水听器包含声压水听器和三轴向矢量水听器两部分，在整体设计阶段为了将声压水听器和矢量水听器在结构上复合为一个整体，并保证在制作完成后二者等效声中心重合，矢量水听器内部以及半球帽部分采用玻璃微珠与环氧树脂复合泡沫材料填充，以便降低矢量水听器整体平均密度，压电陶瓷圆管外敷以聚氨酯密封材料，以保证矢量水听器声压通道透声性能和水密性。

制作完成后矢量水听器外形尺寸为Φ54×72 mm、工作频带为20 Hz～2 000 Hz、平均密度ρ¯= 1 200 kg/m3，图4给出了设计、制作的7只同振式三轴向矢量水听器实物照片。

图4　同振式三轴向矢量水听器

4　矢量水听器性能测试

矢量水听器在使用之前要对其性能参数进行测试校准，本文中研制同振式三维矢量水听器测试校准工作在国防科技工业水声一级计量站驻波管测试设备中进行，测试项目包括各通道灵敏度、指向性。图5为驻波管测试图。

图5　驻波管测试图

3.1矢量水听器灵敏度测试

矢量水听器的灵敏度一般用自由场声压灵敏度来表示，其表达式为［10］：

式中，Mp为待测矢量水听器自由场声压灵敏度，它表示矢量水听器输出开路电压Uoc和声场中未放入矢量水听器之前其等效声中心所在水质点处声压P的比值。

测量时，使待测通道最大值方向对准发射换能器，在保持发射换能器输出功率不变的情况下，通过改变发射频率，同时记录矢量水听器通道输出电压和标准水听器输出电压，通过比较法得到待测通道灵敏度，矢量水听器驻波管中灵敏度采用比较法测试校准，其自由场声压灵敏度级表示公式为［14］：

式中LMp和LM0分别为待测和标准水听器的声压灵敏度级，e1和e0分别为待测和标准水听器输出电压值，A1和A0分别为待测和标准通道放大倍数，d1和d1分别为待测和标准水听器距水面高度，k为波数，图6给出本文设计、制作水听器各通道灵敏度级测试曲线。

图6　各通道灵敏度测试曲线

由图6矢量水听器各通道灵敏度级测试结果可知：各通道灵敏度级实测值和理论值吻合较好，矢量通道声压灵敏度级为-185.3 dB（测试频率500 Hz，0 dB= 1 V/μPa），在测量频带内每增加一个倍频程灵敏度级增加6分贝，声压通道声压灵敏度级为-192.7 dB（0 dB= 1 V/μPa），测量频带内灵敏度级不稳定性小于1dB。

3.2矢量水听器指向性测试

图7　100Hz频点各通道测试指向性图

矢量水听器通道指向性为其在远场平面波作用下，所产生的开路输出电压随入射方向变化的曲线图。实际测量时，在保持发射换能器输出功率不变的情况下，通过旋转矢量水听器一周并记录不同角度时待测通道输出电压值，数值做归一化处理即可得到指向性图。理论上，声压通道具有全指向性，即输出电压不随旋转角度变化而变化，矢量通道具有与频率无关的余弦指向性，图7、图8分别为100 Hz、1250 Hz频点时各通道测试指向性图。

图8　1250 Hz频点各通道测试指向性图

由图7和图8各通道测试指向性图可以看出，100 Hz频点、1 250 Hz频点时矢量通道均具有余弦指向性，声压通道具有全指向性。100 Hz频点时，矢量通道分辨力均大于39.5 dB，灵敏度最大值不均匀性不大于0.2 dB，声压通道指向性起伏0.2 dB；1 250 Hz频点时，矢量通道分辨力均大于25 dB，灵敏度最大值不均匀性不大于0.9 dB，声压通道指向性起伏0.3 dB。

5　结论

本文以实际工程需要为背景，设计、制作7只外形为柱体两端带半球帽的圆柱形同振式三维矢量水听器，尺寸为Φ54×72 mm，等效本底噪声压级为57 dB@1 kHz。国防科技工业水声一级计量站性能测试结果表明：矢量通道声压灵敏度级为-185.3 dB（测试频率500 Hz，0 dB=1 V/μPa）、具有余弦指向性；声压通道声压灵敏度级为-192.7 dB（0 dB=1 V/ μPa）、具有全指向性。设计、制作的矢量水听器灵敏度高、通道一致性好，适合构建矢量水听器线阵。

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孙芹东（1986-），男，助教，2013年3月毕业于哈尔滨工程大学水声工程学院，6月到海军潜艇学院任教，主要从事声矢量传感器及其应用技术的研究，sqd2010@163.com。

EEACC：2860C；723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.06.027

同振式三轴向矢量水听器设计与实现*

孙芹东*，侯文姝，王文龙，王超
（海军潜艇学院，山东青岛266042）

根据实际工程需要，设计、制作同振式三轴向矢量水听器，其外形为柱体两端带半球帽的圆柱体，声压通道和矢量通道在结构上结合为一体。矢量水听器外形尺寸为Φ54×72 mm、工作频带为20 Hz～2 000 Hz。在国防科技工业水声一级计量站驻波管对研制的矢量水听器进行了测试，测试结果表明：声压通道声压灵敏度级为-192.7 dB（0 dB=1 V/μPa）、具有全指向性；矢量通道声压灵敏度级为-185.3 dB（测试频率500 Hz，0 dB=1 V/μPa）、具有余弦指向性。设计、制作的矢量水听器灵敏度高、通道一致性好、使用方便，满足工程应用需求。

同振式；矢量水听器；三轴向；灵敏度；指向性

TB565.1

A

1004-1699（2016）06-0952-05

2015-11-10修改日期：2016-02-03

项目来源：国家自然科学基金项目（61203271）