悬浮式反鱼雷深弹的矢量水听器设计

刘清慧，邓南明，王　昊

（中国人民解放军91388部队，广东 湛江，524022）

悬浮式反鱼雷深弹的矢量水听器设计

刘清慧，邓南明，王昊

（中国人民解放军91388部队，广东 湛江，524022）

为实现对来袭鱼雷的拦截，文中对悬浮式反鱼雷深弹可能采用的柱形矢量水听器进行了设计。首先，以刚性摆动柱形接收器声波接收响应模型为基础，推导了同振柱型矢量水听器的测量原理；通过计算机仿真，分析了采用压电加速度计的同振柱型矢量水听器相关参数的相互影响关系；最后选取设计了满足悬浮式反鱼雷深弹使用需求的矢量水听器技术性能参数。研究表明，在灵敏度和相位差条件允许的情况下，适当放宽对声学刚性运动柱体的几何尺寸要求，有利于悬浮式反鱼雷深弹中的同振矢量水听器的设计。

悬浮式反鱼雷深弹；矢量水听器；同振柱型

0　引言

矢量水听器技术作为一种新兴的对目标进行探测定位的技术手段，在鱼雷报警等军事领域具有广阔的应用前景。目前，国内学者已展开这方面的研究工作。王国伟讨论了利用矢量水听器的鱼雷定位浮标与火箭深弹相结合拦截来袭鱼雷，提出在悬浮式深弹上应用矢量水听器对来袭鱼雷实施硬杀伤的拦截技术［1］。李倩研究了将单只矢量水听器应用于悬浮式火箭弹上探测来袭鱼雷的运动参数，通过效能分析，发现主动攻击式反鱼雷毁伤概率较被动等待方式有明显提高［2］。张巍对在水下有限障板环境下使用时，矢量水听器的声场特性及矢量信号处理技术进行了研究［3］。卢中新结合矢量水听器技术对鱼雷空投入水信号进行研究，对入水信号进行检测和特征提取，为防御空投鱼雷做出了有益的探索［4］。徐梁等人对利用矢量水听器技术的悬浮式深弹的工作原理进行了研究，利用互谱算法测量鱼雷噪声方位变化率，建立了悬浮式深弹的作战使用模型［5］。马锦垠阐述了基于矢量水听器阵的火箭助飞鱼雷落点的测量方法及采用的主要技术［6］。

但针对悬浮式反鱼雷深弹中的矢量水听器的设计目前还少有介绍。矢量水听器的工作频带应符合悬浮式反鱼雷深弹对来袭鱼雷的探测，其体积应适合安装在悬浮式深弹的壳体内。

基于此，文中研究了悬浮式反鱼雷深弹可能采用的柱形矢量水听器，详细分析了同振柱型矢量水听器的测量原理，并借助MATLAB画图来讨论设计过程中各参数的选取，提出了采用压电加速度计的同振柱型矢量水听器相关参数的选取方法，选取了适合悬浮式反鱼雷深弹的矢量水听器性能参数，探讨了该型矢量水听器的设计方法。

1　悬浮式反鱼雷深弹的矢量水听器设计原理

矢量水听器通常由1个声压水听器和3个相互正交的振速型（或加速度型）水听器构成，能同时测量声压和振速的3个正交分量，通过综合利用声压和振速信息的关联和差别，可在低频、小尺度阵形下获得一定空间增益，给出水下目标精确的方位信息，且在一定条件下其指向性与频率无关［2，7-8］。因此，在悬浮式反鱼雷深弹中装载矢量水听器，可充分利用鱼雷辐射谱中既有宽带成分又有窄带的线谱、时变方位和时变多普勒等特性，通过功率谱估计、低频分析和记录（low frequency analyzing and recording，LOFAR）、噪声包络调制检测（detection of envelop modulation on noise，DEMON）、时间-频率分析（time-frequency analysis，TFA）等方法，可有效检测、识别、定位和拦截来袭鱼雷［1］。

根据一般悬浮式深弹的实际情况，文中设计的同振型矢量水听器外壳相当于刚性外壳，因此在分析问题时，可以把其接收性能看作声场中的刚硬柱在声波作用下的散射问题。圆柱接收器表面的声压不再等于自由声场声压，而等于自由场声压与散射波声压之和［9］。

建立如图 1所示柱坐标系，设平面波沿x轴方向入射，圆柱为单位长度1，半径为a，则入射波声压

换成以柱坐标系表示，则有

式中: p0表示单频入射平面波场中声压的幅值；k=ω/c为入射声波的波数，ω为入射声波的角频率，c为水介质中的声速。

把入射平面波分解为柱面波叠加，可得

式中: εn为待定常数为贝塞耳函数。

图1　刚性摆动柱形接收器模型Fig.1　Model of rigid cylindrical swing receiver

散射波声压ps是φ的偶函数，且ps与z无关，则ps取柱面函数通解中以下形式解

式中:bn为常复数，决定于边界条件，它决定柱的散射能量在不同阶柱面散射波中的分配情况；为第2类汉克尔函数。

入射波和散射波应满足边界条件，即径向振速之和等于零，且

将式（3）和式（4）代入式（5），得

于是散射波场中声压

由式（3）和式（7）得圆柱接收器表面任一点声压

假设柱在x方向摆动，因此介质对柱摆动的合成阻力在x轴方向。在流体中，介质的压力是沿半径方向作用于柱面，因此沿x方向合力应乘以cosφ，于是作用在单位长度柱面沿x方向的作用力为

将式（8）代入式（9），因为

故，式（9）可化简为

根据声学理论基础，接收器的接收面在声波作用下会产生振动，则作用在接收器表面的作用力F与其接收面的实际振速v间存在以下关系

式中: Zm为接收系统的机械阻抗；Zs为二次辐射的辐射阻抗。

将刚性运动柱体的二次辐射看作是摆动柱的辐射问题，则根据摆动柱的辐射阻抗求得

式中: ρ0为水介质密度；c为声速。

已知

则式（13）可表示为

接收系统的机械阻抗

将式（11），式（15）和式（16）代入式（12），则水中刚性运动柱体在x轴方向的振动速度为

根据柱函数性质

将式（18）代入式（17），可将式（17）简化得

将式（21）代入式（20）中，则声学刚性运动柱体在水下声场的作用下做自由运动时，刚性柱体x轴方向的振速幅值vx与声场中柱体几何中心处水质点的振速幅值 v0及其相位差φ之间存在以下关系

如果声学刚性运动柱体的几何尺寸远远小于波长，即ka≪ 1，那么

由式（22）可知，当刚性球体的平均密度ρ等于水介质密度ρ0时，其振速幅值 vx与声场中柱体几何中心处水质点振速 v0相同，而相位差趋于0。式（22）是同振型矢量传感器在设计时的重要依据，其成立的前提条件是，即，这一条件在工艺上很难实现，特别是对于高频声场情况。因此，通过式（20）并借助计算机对同振柱型矢量水听器的半径a与声波波长λ比值、平均密度与水介质密度ρ0比值以及矢量水听器振速幅值 vx与水质点的振动速度 v0比值之间的关系进行研究，结果如图2和图3所示。

图2　同振柱型矢量水听器振速幅值特性曲线Fig.2 Amplitude characteristic curves of co-oscillating cylindrical vector hydrophone

图3　同振柱型矢量水听器相位特性曲线Fig.3 Phase characteristic curves of co-oscillating cylindrical vector hydrophone

通过仿真绘图可知, 随着矢量水听器的半径a与声波波长λ比值的增大, 同振柱型矢量水听器的振速幅值逐渐降低, 相位差φ逐渐增大, 且相位的变化幅度远大于）的变化幅度。同时, 随着矢量水听器的平均密度与水介质密度比值的增大,）逐渐降低, φ也有明显变化。所以, 在同振柱矢量水听器的设计过程中, 要综合考虑v/ v0, ρ/ ρ0, φ和a/λ这4个参数。

2　矢量水听器参数选取与结构设计

在矢量水听器的设计中，除了需考虑水听器半径（尺寸）、密度以及工作频率，也要兼顾其相频特性和幅频特性。同振型振速水听器几何尺寸、平均密度对其频响特性、灵敏度有以下几方面的影响。

l） 水听器半径影响其上限工作频率，而水听器密度对其上限工作频率也具有一定的调控作用，对高频矢量水听器的设计尤为明显。

2） 在水听器设计工作频率范围内，其密度对测量质点振速的相位影响较小。

3） 水听器密度影响着其测量振速的幅值，即影响水听器灵敏度的大小［10-11］。因此，在同振型矢量传感器的设计中，首先应该考虑其内部传感器的灵敏度和工作频带，这直接影响矢量水听器的声压灵敏度和工作频带；其次考虑传感器的外形尺寸和重量，这影响着矢量水听器的外部尺寸和密度；最后选择密度低于水低密度的复合型材料对矢量水听器进行封装，以保证矢量水听器的密度与水的密度接近［12］。

悬浮式反鱼雷深弹的设计探测频率上限为1 kHz，因此矢量水听器的上限频率为 1 kHz，设计矢量水听器振速通道的声压灵敏度为-179 dB测试频率为1kHz），故

根据声压灵敏度与加速度灵敏度的关系，得

因此，矢量水听器选用国产压电式内置集成电路加速度计，其加速度灵敏度为2 600 mV/g，工作频带在10～2 000 Hz，横向灵敏度小于5%。

悬浮式反鱼雷深弹的探测频带上限为1 kHz，其矢量水听器采用压电加速度计设计同振柱型矢量水听器，工作频带为10～2 000 Hz，振速通道的声压灵敏度设计为-179 dB，根据灵敏度公式，计算出加速度计的灵敏度为2 600 mV/g，横向灵敏度要求小于5%。

鉴于悬浮式反鱼雷深弹的艏部有一定的线度尺寸（内径为0.3 m左右），且矢量水听器需要弹性悬挂在刚性框架上，因此设计矢量水听器的外部半径（尺寸）为0.05 m，设计为柱形。矢量水听器的平均密度与水相等，振速幅值和相位在声源频率1 kHz以下时基本与水质点振速一致。

3　结束语

文中以悬浮式反鱼雷深弹中可能装载的同振柱型矢量水听器的设计原理为基础，分析了采用压电加速度计的同振柱型矢量水听器相关参数的相互影响，得出在灵敏度和相位差条件允许的情况下，适当放宽对ka≪ 1的要求，更有利于悬浮式反鱼雷深弹中的同振矢量水听器的设计。当然，在悬浮式反鱼雷深弹的实际研制中，为保证其平均密度与水相等，矢量水听器的高度还需根据所采用低密度复合材料密度和加速度计质量等具体情况进行调整和最终确定。

［1］ 王国伟．鱼雷报警与拦截技术研究［D］．哈尔滨: 哈尔滨工程大学，2003．

［2］ 李倩．悬浮攻击式火箭反鱼雷技术研究［J］．舰船科学技术，2008，30（5）: 63-66． Li Qian.Anti-torpedo Technique Research with Suspension Attack Rocket［J］.Ship Science and Technology，2008，30（5）: 63-66．

［3］ 张巍．有障板时矢量声场特性与矢量信号处理技术研究［D］.哈尔滨: 哈尔滨工程大学，2010．

［4］ 卢中新．基于矢量水听器的水下瞬态信号检测及特征提取［D］.哈尔滨: 哈尔滨工程大学，2010．

［5］ 徐梁，谢国新，赵志军．基于互谱算法的矢量水听器拦截鱼雷仿真研究［J］.舰船电子工程，2010，190（4）: 123-126.Xu Liang，Xie Guo-xin，Zhao Zhi-jun.Simulating Research on the Vector Hydrophone of Suspended Depth Charge Against Torpedo Based on Cross Spectrum Method ［J］．Ship Electronic Engineering，2010，190（4）: 123-126．

［6］ 马锦垠．火箭助飞鱼雷落点测量方法［J］．科技创新导报，2012（13）: 94．

［7］ Hawkes M，Nehoral A.Acoustic Vector-sensor Beamforming and Capon Direction Estimation［J］.IEEE Trans.Signal Processing，1998，46（9）: 2291-2304.

［8］ Kainam T W，MichaelI D Z.Extented-aperture Underwater Acoustic Multisource Azimuth/elevation Directionfioding Using Uniformly but Sparsely Spaced Vector Hydrophones［J］.IEEE Oceanic Engineering，1997，22（4）: 659-672.

［9］ 何祚镛，赵玉芳．声学理论基础［M］．北京: 国防工业出版社，1981.

［10］ 杨德森，洪连进.矢量水听器原理及应用引论［M］.北京: 科学出版社，2009.

［11］ 时胜国，杨德森，洪连进.同振球型矢量水听器声波接收理论研究［J］．声学学报，2009，34（1）: 30-38.Shi Sheng-guo，Yang De-sen，Hong Lian-jin.Researeh on Sound Wave Receiving Theory of Co-oscillating Sphere Type Vector Hydrophone［J］.Acta Acustica，2009，34（1）: 30-38.

［12］ 洪连进，陈洪娟．二维同振柱型组合矢量水听器［J］．应用声学，2005，24（2）: 119-121.Hong Lian-jin，Chen Hong-juan.Tow-dimensional Combined Vector Hydrophone of The Resonant-column Type.Applied Acoustics，2005，24（2）: 119-121.

（责任编辑: 杨力军）

Design of Vector Hydrophones for Suspended Anti-torpedo Depth Charge

LIU Qing-Hui，DENG Nan-Ming，WANG Hao
（91388thUnit，The People′s Liberation Army of China，Zhanjiang 524022，China）

A cylindrical vector hydrophone for suspended anti-torpedo depth charge was designed to achieve the interception of an incoming torpedo.The measurement principle of a co-oscillating cylindrical vector hydrophone was derived based on the receiving and responding acoustic wave models of a rigid cylindrical swing receiver.The interrelationship among the parameters of a co-oscillating cylindrical vector hydrophone which uses piezoelectric accelerometers was analyzed by simulation.And the vector hydrophone′s technical performance parameters were selected and designed to meet usage requirements of the suspended anti-torpedo depth charge.Simulation results show that in the allowances of sensitivity and phase difference，less strict geometrical dimension requirement of the acoustic rigid moving cylinder may facilitate the design of the co-oscillating cylindrical vector hydrophone of suspended anti-torpedo depth charge.

suspended anti-torpedo depth charge；vector hydrophone；co-oscillating cylinder

TJ630.34；TB565.1

A

1673-1948（2016）03-0189-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.006

2016-03-16；

2016-04-20.

刘清慧（1974-），男，硕士，工程师，主要从事水中兵器试验研究.