谐振式高灵敏度矢量水听器设计

李起栋， 李金平， 陈丽洁， 张 鹏， 赵异凡， 魏鸿雁

0 引 言

随着水声探测与反探测的发展，特别是多数潜艇采用消声瓦之后，声呐的工作频率要求越来越低，这为受到声学基阵尺寸、重量和造价严格限制的声纳系统带来了极大的困难。为了能够在低频、小尺度阵形下获得一定的空间增益，且能给出水下目标精确的方位信息，矢量水听器是一种最佳的选择[1～3]。矢量水听器具有宽带、一致的偶极子指向性及低频小尺寸等特点[4]；在水声测量系统中，采用矢量水听器可提高系统的抗干扰能力和线谱检测能力[5，6]。从能量检测的角度讲，采用矢量水听器可提高系统的抗各向同性噪声的能力，并可实现远场多目标的识别等，因此，矢量水听器的研究工作受到国内外极大重视[7～9]。目前，矢量水听器亟需解决大灵敏度、甚低频检测、小型化等几个问题。

本文设计了一种谐振式高灵敏度矢量水听器，采用多器件共用结构及谐振检测设计，具有小型化、低频高灵敏度测量特点，能够提升水声信号的探测能力。

1 矢量水听器工作机理

1.1 声学理论

声场中描述某点的传播特性[10,11]可以用以下参数衡量:声压、振速、声强等。

声压为

p(r,t)=p0ej(ωt-kr)

(1)

质点振动速度为

v(r,t)=v0ej(ωt-kr)

(2)

声强为

(3)

式中p为声场中质点声压；v为声场中质点振动速度。

声场中描述某点的运动特性又有另外一些参数衡量，如质点振动速度、加速度和位移。已知描述声场传播特性和质点运动特性的参数及之间的关系，即可更进一步了解传感器的设计要点。因此，可以根据声信号幅度特点、频率范围等特点选择适宜的一次测量参数及测量传感器，通过变换可以间接实现对声源的探测需求，即使声测量效果最大化。

声场中某点的声传播特性与质点的运动状态特性间通过声阻抗联系。由声学理论基础可知，声压p和质点振速v的比值称为介质的声阻抗

Z=p/v

(4)

由声学理论基础可得

Z=ρc

(5)

式中ρ为介质的平均密度；c为声波的传播速度。

声场中某质点的位移、振速、加速度三者曲线变化趋势如图1所示。

图1 质点的位移、振速、加速度三者之间关系

1.2 矢量水听器模型分析

矢量水听器传感机理模型如图2所示，可分解为3个模型:由中心质量与弹性梁组成的二阶振动系统，通过惯性质量敏感加速度信号，并将加速度的变化转化为弹性梁的位移变化；位移传递模型，即将弹性梁的位移变化转换为十字梁末端的位移变化；由弹性元件构成的圆板弯曲振动系统，在受外力(位移)作用时，将外力(位移)转换为弹性元件内部的应力变化，如果采用压电陶瓷元件，则可将位移变化变成电荷信号输出。

图2 矢量水听器传感机理模型

2 矢量水听器设计

2.1 球体结构设计

由同振球型矢量水听器的工作原理可知，若声学刚性运动体的几何尺寸远小于波长，即ka≪1(k为波数，a为刚性运动球体半径)，则其振速vx，与声场中心处水质点的振速v0幅值之间的关系为

(6)

由此可以得到矢量水听器的基本设计理论，在ka≪1时使球体密度和水介质密度相当即可得到矢量水听器所在点处的质点振动信息。要求ka≪1，即矢量水听器线性尺寸a≪λ/6。当同振式矢量水听器工作频率上限为2 kHz时，波长为0.75 m，设计时a值应小于125 mm。矢量水听器的球体采用上、下壳体过盈配合方式连接，设计结构时重点考虑密封问题。

2.2 矢量通道设计

重点为其内部拾振传感器—压电加速度传感器的性能设计。

(7)

式中Uoc为矢量水听器的输出开路电压。

图与自由场电压灵敏度差值的关系曲线

1)谐振频率确定

根据振动传感器工作原理和矢量水听器的工程应用要求，通常加速度传感器的谐振频率应满足

f0=(3-5)fH

式中fH为矢量水听器的上限工作频率。

由此可看出:加速度传感器的谐振频率越高，矢量水听器的有效工作频率范围越大。要使矢量水听器的上限工作频率达到1 kHz，则需要作为内部振子的压电加速度传感器的谐振频率应为3～5 kHz。

2)传感器灵敏度确定

由同振型矢量水听器在自由场电压灵敏度Mp与其在水中的加速度灵敏度之间的关系，可以得到矢量水听器要求的自由场声压灵敏度确定其加速度传感器的加速度灵敏度之间的关系，如表1所示,且0 dB=1 V/μPa，频率为1 kHz。

表1 矢量水听器灵敏度和加速度传感器电压灵敏度对应关系

根据同振球形矢量水听器分析可知，在结构设计上要满足以下3个条件(拾振条件):

1)矢量水听器的波尺寸足够小，即ka≪1，实际中一般要求a≤λ/6；

2)矢量水听器的平均密度近似等于介质(水或海水)的密度，且质量分布均匀；

3)水听器的几何中心与中心重合，则该矢量水听器置于水下声场中时呈中性浮力状态，其振动幅值、相位与水中质点保持一致，从而有效拾取水中质点振速或加速度矢量。

根据上述条件，设计矢量水听器的外形尺寸Ф(110±5)mm，高(100±5)mm，设计带宽5 Hz～1 kHz。

矢量水听器的材料选择，惯性质量块采用钨合金材料，重量较大，提高了矢量水听器的灵敏度。敏感元件采用PZT—5型压电陶瓷薄圆片，尺寸为Ф14 mm×0.4 mm。采用压电敏感元件，利用压电原理进行力/电转换，再进行前端信号处理。考虑应用实际工况，采用中心质量设计以保证质心与几何中心相合。为了得到较高的灵敏度，敏感元件采用串联连接方式，电荷相等、电压相加、电容值减小，相应地传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，连接方式如图4所示。

图4 敏感元件及电气连接示意

矢量水听器的密封采用多个突台结构的过盈配合，其过盈配合的壳体采用软铝。海洋中常有涡流、旋涡等形式存在，过盈配合可防止金属壳体之间松动，给浮标的安全性、可靠性带来一定的技术保障。矢量水听器的引线采用锥形孔将内部导线引出，锥形胶皮塞将锥形孔密封，在外界压力下进行自密封。矢量水听器密封后实物如图5所示。

图5 密封后矢量水听器

3 性能测试

矢量水听器设计工作频率为10～300 Hz。对矢量水听器在一级计量站进行声性能测量。水下测试中接收灵敏度测量采用驻波场比较法，主要对矢量水听器的声压灵敏度测量，测量的不确定度U=1.5 dB。矢量水听器的接收灵敏度达到了-196 dB(100 Hz)。

4 结束语

设计的矢量水听器是在缺乏技术资料下，进行的首次研制。通过测试结果证明了采用本文设计方法的可行性。该结构设计矢量水听器不仅低频灵敏度高而且可靠性高。但在制作中工艺控制存在缺陷，使x，y矢量通道同一频率下接收灵敏度有差值。但总体趋势符合基本声压灵敏度曲线每倍频程6 dB的变化规律，实验测试结果与理论基本相符。在工程应用方面，若矢量水听器能克服如工艺控制等缺陷问题，则该技术将会得到水声领域的广泛应用，对国家的军事装备和经济建设也将会产生不可估量的作用。

参考文献:

[1] 陈丽洁，张 鹏，徐兴烨，等.矢量水听器综述[J].传感器与微系统,2006,25(6):5-8.

[2] Moffett M B.A piezoelectric，flexural-disk，neutrally buoyant，underwater accelerometer[J].IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics and Frequency Control，1998，45(5):1341-1346.

[3] 陈丽洁，杨士莪.压阻式新型矢量水听器设计[J].应用声学，2006，25(5):273-278.

[4] 刘国勤，贺 雯.声矢量传感器性能分析及应用[J].舰船电子工程，2003(5):80-84.

[5] 孙贵青，杨得森，张揽月.基于矢量水听器的水下目标低频辐射噪声测量方法研究[J].声学学报，2002，27(5):429-434.

[6] 张 亮，田 甜，孟春霞.单矢量水听器基于互谱测向的多目标分辨[J].舰船科学技术,2009,31(10):18-20.

[7] 孙桂青，李启虎.新型光纤水听器和矢量水听器[J].物理，2006,35(8):645-653.

[8] 许欣然，葛辉良，孟 洪.基于双压电晶片的矢量水听器加速度特性研究[J].声学与电子工程，2009(1):37-46.

[9] 李金平，史 鑫.一种自主定向磁复合三维MEMS矢量水听器[J].中国电子科学院学报，2014,9(6):653-657.

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

[11] 何祚镛，赵玉芳.声学理论基础[M].北京:国防工业出版社，1981:315-326.