一种鱼雷声自导仿真信号耦合对接装置设计∗

（中国人民解放军91388部队92分队 湛江 524022）

1 引言

目前，控制半实物仿真［1］已经较为成熟，鱼雷自导仿真一直是鱼雷仿真中的技术难点，国内目前已实现的是直接水声物理场与电子注入式仿真，机械对接耦合式仿真方法虽然进行了研究并应用于鱼雷测试，但制导大回路［2］的半实物仿真效果还不太理想。如何实时生成水声环境与目标特性信号并驱动对接阵实现仿真直接影响半实物仿真试验系统研制的成败。

本文的对接装置设计在保证了发射电压响应在频带内尽量高、带内响应平坦、辐射头面应尽量小的前提下，还采用谐高频换能器［3］降低了对接基阵阵元通道间耦合；结构上采用推车实现整个系统的移动，提高机动性；采用通用化设计实现了信号驱动放大和各驱动放大电路板互换，便于故障定位和产品维修。

本文研究的声自导耦合对接装置能够实现与鱼雷的声对接，能够以声信号的形式向自导系统提供所需要的检测信号，匹配驱动电路能实现对接装置换能器匹配驱动，对接装置具有标准化、通用化、模块化、易组合的特点，及工作稳定可靠、使用操作简便的优点。

2 系统功能及组成

2.1 功能

声自导耦合对接装置是根据鱼雷声自导声学基阵的分布规律，将仿真的声自导目标与环境声信号经驱动装置进一步放大至与实际信号接近，驱动鱼雷声自导耦合对接阵，一一耦合作用于鱼雷声自导声学基阵阵元，实现鱼雷声自导目标与环境信号的输入。具体流程如图1所示。

图1 对接装置工作流程图

鱼雷根据弹道指令进入搜索状态后，目标/背景信号生成系统［4］根据解算出的雷目位置和目标运动参数，以及初始设定海洋地貌和底质、鱼雷的声脉冲发射参数，计算出海洋背景信号［5］（海面混响、海底混响、体积混响、鱼雷自噪声）及目标回波的信号频率、强度、回波延时等，并生成相应的数字时域信号，通过自导仿真接口计算机进行DA转换后，经程控衰减器进行多通道同步模拟输出，按照声学装置各阵元的几何位置关系产生各信号的相位延时，经信号调理放大后将生成的合成等效信号通过声自导耦合对接装置耦合到鱼雷自导头，模拟鱼雷实航中在复杂环境下接收到的水声信号，从而在陆上条件下实现鱼雷声自导系统海上工作过程的半实物仿真。

2.2 组成

声自导耦合对接装置由推车、加载装置，雷头对准装置、声学对接阵、驱动装置等组成，系统组成图如图1所示。

图2 对接装置组成图

推车用于安装加载装置、声学对接阵、雷头对准装置、驱动装置等部件，底部有脚轮，前部有把手，能够实现整个系统的移动，提高系统的机动性；加载装置用于声学对接阵与雷头对准装置的力加载，端部有可与扭矩扳手配合的六角形接头，满足每次加载扭矩的稳定施加；雷头对准装置用于安装仿真产品，底部有对准装置，安装雷头的基座安装在轨道槽中，可进行平移，以满足对准要求；驱动装置内部包括设备供电电源、驱动放大电路、交流风扇等。

3 对接阵结构设计

3.1 加载装置

加载装置由围框、光轴、直线轴承、螺纹轴、螺母、扭矩扳手加载端、声学对接阵联接端构成，如图3所示。

图3 加载装置结构示意图

其中螺纹轴和螺母产生对接时的加载扭矩，螺纹轴端有与扭矩扳手联接的加载端，加载端设计为正六边形，满足扭矩扳手的扭矩施加及测量；光轴在螺纹轴下侧安装，一端通过安装板与螺纹轴配合的螺母刚性联接，另一端安装声学对接阵联接端，使其随螺母进行稳定平移，对对接阵进行耦合施力；围框作为加载支撑使加载系统刚性固联，并与运载小车联接，最后用扭矩扳手可在扭矩扳手加载端进行加载。

3.2 雷头对准装置

雷头对准装置用于安装仿真产品，底部有支撑装置，支撑装置可进行平移，在左右及前后两个方向的调整自由度，满足对准要求。由前支撑装置、后支撑装置，定位加载装置、仿真产品等构成，如图4所示。

图4 雷头对准装置结构示意图

支撑装置为滚轮结构，安装在导轨中，调节两个后支撑之间间距可进行产品的高低调节。调节各支撑的安装位置可进行前后位置的调节。前、后支撑的互相调节能够使仿真产品安装好后进行垂直方向和高度方向的调整，以对准基准装置保证雷头与声学基阵进行对准。

定位加载装置与仿真产品外壳表面有圆弧面配合，与仿真产品的外端圆柱面的外圆柱面进行配合，加工精度为7级精度，公差带为0.057mm，仿真产品外圆加工公差带为0.14mm，加载装置中定位光轴采用6级精度光轴，其公差带为0.035mm，定位加载装置与对接阵外圆柱面在安装时有同轴度要求，两端同轴度设计为0.15mm，合成对接精度为0.28mm，保证了极低的对接耦合偏差。

3.3 对接基阵设计

声自导对接基阵［6］主要完成声信号的能量形式转换，将含目标信息、混响、干扰、鱼雷航行噪声以及环境噪声等在内的电信号转换为振动形式，通过匹配材料耦合作用于鱼雷声自导声学基阵阵元。

1）换能器设计

对接阵换能器性能应与鱼雷基阵换能器性能相匹配，实现频带内电声信号转换功能。对接过程中，收发换能器采用正对面接触，声波传输介质依次为发射换能器辐射面、透声匹配材料、接收换能器辐射面。基于此声介质，为降低对接基阵阵元通道间相互耦合度，对接阵换能器的发射电压响应在频带内应尽量高、带内响应需平坦、辐射头面应尽量小。对接阵换能器采用高频复合棒换能器［7］形式，结构如图5所示。

图5 换能器示意图

换能器由前辐射头、压电陶瓷片、预应力螺杆和后质量块组成。前辐射头材料为硬铝，预应力螺杆和后质量块采用45#钢，压电陶瓷片为PZT-4型圆环片状陶瓷。

2）基阵设计

对接基阵阵型应与鱼雷声学基阵一致。对接基阵包括对接换能器、泡沫骨架、铝质外壳和硫化橡胶，如图6所示。

对接换能器置于泡沫骨架中，后端通过螺纹结构、软木垫片、环氧垫片固定在基阵承压板上，换能器侧面用软木橡胶包裹，以降低换能器与泡沫骨架间的耦合。基阵前面板采用软质橡胶材料作为透声匹配材料。泡沫骨架通过定位插销固定于铝质外壳中，尾部开导线槽，换能器导线穿过泡沫骨架后集中于槽中，并用硅胶进行固定。

图6 对接基阵结构示意图

阵元通过筛选陶瓷、结构件，执行相同工艺制作，成品经过严格筛选，频带内幅度能够有较好的一致性，一般不大于±1.5dB。阵元在同一平面上保持高度一致，并保证阵元辐射表面在同一平面内，同时与后端电信号相匹配，实现较好的频带内相位一致性。

3.4 驱动装置设计

驱动匹配装置用于对自导仿真接口计算机输出的多通道模拟信号进行放大，并驱动相应的自导仿真基阵阵元，驱动匹配装置的各个通道增益可调节，可对通道间的幅度不一致进行校正。

对接装置驱动放大是基于程控衰减器输入的单端模拟信号放大后驱动鱼雷声自导耦合对接阵，实现鱼雷声自导目标与环境信号的输入。

机箱内共7块尺寸为15mm×25mm的驱动放大电路板，每块驱动放大电路板有8路驱动放大电路。核心芯片能连续输出电流可达3A，峰值可达5A；有过热关闭功能，电流极限可调。可微调电路中电阻阻值来调节实现频带内幅度一致性，频带内响应起伏可通过调节程控衰减器来调节。

4 仿真分析

4.1 有限元法

有限元法是近年来国际上普遍采用的一种换能器分析与设计方法［8～10］，该方法以变分原理和剖分插值原理为基础，将发射换能器结构按想象划分成一系列单元，构造单元插值函数将单元内部点的状态用单元节点状态的插值函数来近似描述，于是将发射换能器的结构分析问题转化成求解单元节点的代数方程组问题。

4.2 换能器发送电压频响仿真

选取一组结构参数，主要参数如下：辐射头采用变截面结构，底层外径φT=10mm，前端接触面结构为φT=5mm。压电陶瓷圆片数量为4，内径φ1=5mm，外径φ2=10mm。后质量块材料直径φB=10mm。换能器总长度为23mm［11］。

换能器经仿真计算，谐振频率不小于70kHz。以15kHz～30kHz频段为例，在该频段内的发送电压频响曲线如图7所示。

图7 发送电压频响曲线图

该频带距离换能器谐振频率较远，各频率输出响应级最大与最小值之差即为单通道频带内响应起伏，可见，带内响应起伏约为3.6dB，在频带内响应较为平坦。

4.3 基阵阵元仿真

成阵后基阵阵元间相对独立，阵元底部与底版连接处设计减振软木；阵元与泡沫骨架之间有适当距离的缝隙，阵元之间具有较好的隔振能力，可以有效降低对接基阵阵元之间的振动耦合。当对接基阵工作时，声学对接基阵用作声波发射，仅考虑单阵元工作情况，待测基阵用作接收基阵。利用有限元软件ANSYS对上述工作过程进行仿真。如图8所示。对接基阵阵元为发射换能器，接收基阵阵元为两个纵阵换能器，换能器间距与实际阵元间距相同，收发阵元之间为透声匹配材料。

图8 有限元软件仿真示意图

在发射换能器上下表面按照频带施加扫频正弦交变电压，激励换能器产生声波；声波经过声介质传输后作于与接收基阵阵元表面，阵元接收声波产生电荷。分别提取相邻两个换能器的输出电荷，计算可得到两个换能器接收声波的耦合度参数，如图9所示。

图9 相邻阵元接收隔离度曲线图

由上图可以看出，在不同频率间相邻阵元隔离度平均有10dB左右，互耦合性不强，能够保证半实物仿真试验的顺利实施。但一般情况下，阵元越密集，接收隔离度越差，阵元间越容易互相影响。

5 结语

本对接装置设计处理通道数多，硬件规模大，基阵设计难度大。采用高频换能器发射低频信号有效降低了通道间耦合，发射和接收信号分别位于机箱前面板和后面板，有效实现了收发信号线隔离，降低了噪声影响。