面向水下滑翔机平台的耐压复合同振式矢量水听器

孙芹东， 张小川， 韩梅， 王文龙

(1.海军潜艇学院， 山东 青岛 266199； 2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室， 山东 青岛 266237)

0 引言

矢量水听器兼有声压通道和矢量通道，可同时测量声场中声压标量和三维质点加速度矢量信息，单个矢量水听器即可实现对目标的无模糊测向，在海洋环境噪声测量与水中目标探测领域有着广阔的应用前景[1-2]。矢量水听器在水下滑翔机平台集成应用方面，美国斯克利普斯海洋研究所与华盛顿大学应用物理实验室联合设计的ZRay翼型水下滑翔机，集成有矢量水听器和低、中、高频声压传感器，其设计初衷是用来跟踪和自动识别海洋哺乳动物[3]，但由于其声学性能优异，可用来探测水中安静型目标，已用于美军近海水下持续监视网(PLUSNet)系统建设[4]；美国海军研究办公室资助的ANT Littoral Glider，搭载了Reson公司的TC-4033型水听器和Wilcoxon的矢量水听器，适合在近海工作，目前已完成多台套建设。

海军潜艇学院与天津大学合作，于2015年着手在“海燕-Ⅱ”水下滑翔机平台集成矢量水听器及其信号处理系统，研制可用于水中移动目标声学探测的水下声学滑翔机[5-8]。为充分发挥水下声学滑翔机低噪声、长航程、长时序优势，以及利用海洋水声环境效应提高对弱信号目标探测距离，需研发大深度矢量水听器。在大深度矢量水听器设计方面，美国和俄罗斯科研工作者采用声压和矢量通道分离技术方案，设计6 000 m级[9]、3 600 m级[10]矢量水听器，并开展海上试验；国内采用金属耐压壳体设计1 000 m级[11]、2 000 m级[12]矢量水听器，但尚处于实验室阶段且不包含声压通道。针对水下声学滑翔机样机研制需求，设计制作工作深度和“海燕-Ⅱ”水下滑翔机平台相匹配的1 500 m级、小尺寸、胶囊体形耐压复合同振式矢量水听器，并在南海某海域开展海上试验。

1 矢量通道设计

矢量通道敏感元件为三轴向压电加速度计，制作完成后可与声场中水介质质点作等幅同相振动，以获取声场三维质点加速度矢量信息，并以x、y、z三轴分量的形式输出。所用压电加速度计的工作频段为20～5 000 Hz，可根据矢量水听器整体外形尺寸以及选择的信号处理频段合理确定矢量水听器工作频段。

1.1 矢量水听器声学原理

由同振式矢量水听器工作原理可知，对于满足声学刚性的同振球形或柱形声接收器，如果其最大线性尺寸远小于其上限工作频率对应的声波波长，且其平均密度与所在声场水介质密度近似相等，则对于同振球形或柱形声接收器有(1)式[13]成立：

(1)

由(1)式可知，满足一定条件的同振球形或柱形声接收器，可与未放入声场中时其等效声中心所在处水质点振速值幅值相等、相位一致。本文矢量水听器外形为圆柱体两端带半椭球帽的胶囊体形，其声接收特性可近似由球形或柱形声接收器来表征[14]，因此，在圆柱体两端带半椭球帽的胶囊体内部放置三轴向压电加速度计，且保证制作完成后外形尺寸、密度满足上述条件，即可制作同振式矢量水听器。

矢量水听器矢量通道敏感元件选用三轴向压电加速度计，其加速度灵敏度Ma=2.8 V/g，制作完成后其声压灵敏度为

(2)

式中：Mp为声压灵敏度级；ω为角频率；c为海水声速。由(2)式计算可得，其声压灵敏度级为-179.6 dB(1 kHz频点处，0 dB参考值1 V/μPa)。

在科尔沁沙地，有牧民将刚采回的沙葱，简单洗一下就装入罐子里，撒上一点盐，浸之，不消半个时辰就是美味的小菜。

1.2 矢量通道耐压设计

耐压结构的失效形式主要包括强度失效、稳定性失效、刚度失效和腐蚀失效4种，矢量通道采用薄壁铝合金壳体承受工作深度的高静水压力，而采用金属壳体承受外部压力的耐压结构其主要失效形式为稳定性失效[15]。当薄壁铝合金壳体耐压结构所承载的外部静水压力增大到材料屈服极限时，耐压结构稳定性将发生破坏，使薄壁铝合金壳体形状发生改变，丧失正常工作能力。耐压结构失稳前，薄壁铝合金壳体内只存在压缩应力，失稳后由于突然产生形变，在薄壁铝合金壳体内产生以弯曲应力为主的附加应力。对于圆柱形薄壳耐压结构，在高静水压力条件下其环向与轴向承受均匀外压，对于球形薄壳耐压结构，在高静水压力条件下承受均匀径向外压[12]。本文设计制作的矢量水听器外形为圆柱体两端带半椭球帽的胶囊体形，不能采用柱体和球体薄壳结构耐压公式进行理论计算，将利用有限元分析软件ANSYS Workbench对胶囊体形薄壁铝合金壳体耐压结构内部应力进行仿真分析。

综合考虑材料密度、外形尺寸，建立矢量水听器实体模型，铝合金壳体参数列表如表1所示。利用ANSYS Workbench软件，根据表1薄壁铝合金壳体参数对薄壁铝合金壳体失稳的临界压力进行仿真分析，以验证薄壁铝合金壳体的结构强度和稳定性能否满足耐压要求。在薄壁铝合金壳体外表面设置15 MPa的压力载荷，对其进行结构静力分析，由仿真结果(见图1)可知，薄壁铝合金壳体在外部静水压力作用下，会出现局部应力集中现象，其最大应力值为436.83 MPa，没有超过材料的屈服强度505 MPa，故其受15 MPa外压时，不会发生强度失效，满足应用需求。

图1 金属耐压壳体应力云图Fig.1 Stress nephogram of metal pressure-resisting shell

表1 薄壁铝合金壳体参数Tab.1 Measured parameters of thin-wall aluminium alloy shell

2 声压通道设计

声压通道敏感元件为p-51材质径向极化压电陶瓷圆管，该类型压电陶瓷圆管结构简单、灵敏度高、水平面上无指向性、工作性能稳定，适合用于声压接收换能元件，参数如表2所示。表2中g31、g33是压电常数分量，表示恒应力条件下电位移分量每增加一个单位所引起的应变分量增加量，下标中第1个数字指的是电场方向，第2个数字指的是应力或应变的方向，g31指施加在3方向的电场在1方向产生的应力或应变，g33指施加在3方向的电场在3方向产生的应力或应变。

表2 压电陶瓷圆管实测参数Tab.2 Measured parameters of piezoceramic circular tube

2.1 声压通道声学设计

压电陶瓷圆管作为声压通道敏感元件，在声波作用下，其外表面均匀受声压p作用，而内表面、上下端面均不受声压作用，其边界条件为空气背衬、端部隔离。它的振动特性处于弹性控制状态，将压电陶瓷圆环近似看成各向同性，根据弹性静力学知识，可以得到声压通道开路电压接收灵敏度[16]为

(3)

式中：V为压电陶瓷圆管在声压p0作用下内外表面产生的电压；u为压电陶瓷圆管内外半径之比，u=Ri/Ro. 将表2中声压通道敏感元件详细参数代入(3)式中，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2所示。

图2 声压通道灵敏度级仿真曲线Fig.2 Simulated curves of sound pressure channel sensitivity level

从图2仿真计算结果可知，根据所选用压电陶瓷实测参数，矢量水听器声压通道灵敏度级为-192.9 dB(0 dB参考值1 V/μPa)。根据不同外径和厚度参数下灵敏度数值变化曲线还可以得出如下规律：声压灵敏度级随着压电陶瓷圆管外半径的增大而增大、随着管壁厚度的增大而减小，可为声压通道的设计提供理论参考。

声压通道要求工作频带内其灵敏度值起伏要小，其工作上限频率应远低于其本征频率，这就要求压电陶瓷圆管本身的谐振频率要远离水听器的工作频段。压电陶瓷圆管同时存在径向本征频率和轴向本征频率，这两个谐振频率仅与其材料和物理尺寸有关，与其极化方式无关，且其轴向本征频率远高于径向本征频率。因此，只需要声压通道工作上限频率远低于径向本征频率即可满足要求，压电陶瓷圆管径向本征频率可由(4)式计算得到：

(4)

2.2 声压通道耐压设计

根据旋转薄壳体的无力矩理论，在外界静水压pw的作用下，薄壁圆柱形壳体会产生沿壁厚均匀分布的轴向压应力σz和环向压应力σθ，理论分析表明，薄壁圆柱形壳体环向压应力σθ可表示为

(5)

其数值为轴向压应力σz的2倍，因此，设计时其环向压应力σθ不应超过材料的屈服强度。

声压通道敏感元件p-51材质径向极化压电压电陶瓷圆管的屈服强度为137.9 MPa. 将压电圆环相关数据代入(5)式，可得其强度失效临界压力pw≤16.9 MPa，能够满足设计深度15 MPa耐压要求，且稍有余量。对压电陶瓷圆管进行三维建模，利用ANSYS Workbench软件对压电陶瓷圆管失稳的临界压力进行仿真分析，以验证压电陶瓷圆管的结构强度和稳定性能否满足耐压要求。

在压电圆环外表面设置15 MPa的压力载荷，对其进行结构静力分析，仿真结果如图3所示。压电陶瓷短圆管的应力分布沿内半径到外半径逐渐减小，其内壁的应力最大，为131.12 MPa，没有超过材料的屈服强度，故其受15 MPa外压时，不会发生强度失效。

图3 压电陶瓷圆管耐压应力云图Fig.3 Pressure stress nephogram of piezoceramic circular tube

3 整体结构设计与制作

矢量水听器在结构上包含声压通道和3个正交的加速度通道，其整体结构示意图如图4所示。声压通道径向极化压电陶瓷圆管承受环向压应力，矢量通道采用薄壁铝合金金属外壳承受外部静水压，声压通道和矢量通道等效声中心相重合。矢量通道三轴压电加速度计敏感元件位于铝合金薄壁金属外壳内部，铝合金薄壁金属外壳分为上、下半椭球两部分，三轴压电加速度计通过安装支架嵌在下半椭球部分。薄壁金属外壳外均匀包覆聚氨酯材料，满足矢量水听器水密以及声压通道压电陶瓷圆管透声要求。水声信息通过微型HUMMER多芯水密接插件进行传输，声压通道接收声场信息通过薄壁铝合金上的过线孔传输到HUMMER多芯水密接插件。矢量水听器外均布悬挂钩，使用时通过8根弹性系数一致的弹性元件悬挂在刚性框架上。

图4 矢量水听器结构示意图Fig.4 Schematic diagram of vector hydrophone structure

制作完成后，矢量水听器外形尺寸为φ66 mm×78 mm，其中柱体部分高度为20 mm，整体重量为450 g，其样机如图5所示。

图5 矢量水听器样机Fig.5 Prototype vector hydrophone

4 矢量水听器参数测试

4.1 耐压测试

为检验矢量水听器的耐压能力，在青岛海洋科学与技术试点国家实验室的35 MPa水压压力釜内对设计制作的矢量水听器样品进行高静水压力循环测试。测试时，模拟水下滑翔机海上剖面滑翔下潜和上浮工作过程，设定最大压力为15 MPa. 如图6所示，测试时，先匀速加压到15 MPa，然后匀速减压到常压状态，每个循环用时4 h，共进行了10个模拟剖面的压力测试，整个测试过程中压力釜内没有产生明显压降，且压力测试前后矢量水听器重量基本一致，没有出现漏水现象，外观无损伤，证明该矢量水听器可工作在1 500 m水深。

图6 矢量水听器模拟剖面压力测试Fig.6 Simulation section pressure test of vector hydrophone

4.2 灵敏度参数测试

矢量水听器各通道灵敏度采用比较法进行测试，其中100～1 000 Hz频段在驻波管测试、1 250～3 000 Hz频段在消声水池测试，灵敏度在测量时以声压量为参考，参考基准为1 μPa. 测试时，将矢量水听器和标准水听器同时置于待测声场中，使矢量水听器的待测通道轴向指向发射换能器，改变发射频率，同时记录矢量水听器和标准水听器的输出电压，通过比较法得到矢量水听器待测通道灵敏度[17]。如图7所示，矢量通道等效声压灵敏度级按每倍频程6 dB的方式增加，等效声压灵敏度级为-179.4 dB(1 000 Hz，0 dB参考值1 V/μPa)，声压通道等效声压灵敏度基本为平坦曲线，灵敏度级为-192.5 dB(0 dB参考值1 V/μPa)。矢量通道和声压通道等效声压灵敏度值测试结果与理论值吻合较好。

图7 矢量水听器等效声压灵敏度测试曲线Fig.7 Measured sensitivity curves of vector hydrophone

4.3 指向性参数测试

矢量水听器指向性在驻波管进行测试，理论上矢量水听器3个矢量通道均应具有与频率无关的余弦指向性，而声压通道应该无指向性。实际测量时，将矢量水听器悬挂于驻波管中的旋转框架内，使矢量水听器的待测通道轴向平行于驻波管中轴线并指向发射换能器，保持发射换能器输出功率和频率一定，用回转装置将矢量水听器旋转一周并记录下不同旋转角度值对应的矢量水听器输出电压值，最后作归一化处理并用对数形式表示，即可得到该频点处待测通道的指向性曲线。试验测试了声压、x轴方向加速度、y轴方向加速度和z轴方向加速度在800 Hz、400 Hz、500 Hz和630 Hz频点处的指向性，测试结果如图8所示。

图8 矢量水听器指向性Fig.8 Directivity patterns of vector hydrophone

由矢量水听器各通道不同频点处指向性测试结果可知，声压通道无指向性，在800 Hz频点处最大值不均匀性为0.7 dB；加速度通道均具有余弦指向性，分辨力均大于36.8 dB，加速度x轴方向通道在400 Hz频点处最大值不均匀性为0.3 dB，加速度y轴方向通道在500 Hz频点处最大值不均匀性为1.3 dB，加速度z轴方向通道在630 Hz频点处最大值不均匀性为1.2 dB，3个加速度通道主轴方向灵敏度最大值对称性较好，与主轴垂直方向灵敏度最小值对称性方面z轴方向通道相比于另外两通道略差，可能是测试时悬挂不对称导致。

5 海上试验

为验证设计与制作的耐压复合同振式矢量水听器工作性能，2019年，在南海某海域，应用水下滑翔机平台集成矢量水听器进行水声信号获取有效性试验验证，试验海区水深大于1 500 m，海况良好。试验时，水下滑翔机采用剖面滑翔方式采集海洋环境噪声信号，下潜了两个剖面，第1个剖面设置最大下潜深度为800 m，剖面时长约为3 h；第2个剖面设置最大下潜深度1 200 m，剖面时长约为4 h.

图9给出了水下滑翔机下潜深度随时间的变化关系，图10给出了两个剖面不同频点(20 Hz、60 Hz、100 Hz、200 Hz、1 kHz、3 kHz)采集的海洋环境噪声级随深度变化关系。由结果可知：海洋环境噪声谱级随频率增加而减小，符合海洋环境噪声变化规律；各频率噪声谱级随深度变化规律基本一致，即随深度增加而略有下降；在962～1 121 m深度范围内出现的谱级峰是由于滑翔机附近有水面船只经过引起的，由于航船影响噪声谱级在1 kHz处升高了近17 dB，而其对20 Hz和60 Hz低频段的影响却相对较小。试验结果表明矢量水听器在水下滑翔机平台应用时可在100～3 000 Hz范围内有效采集水下声场信息，设计的矢量水听器可靠工作深度不小于1 200 m，满足水下声学滑翔机样机研制应用需求。

图9 滑翔机下潜深度随时间变化曲线Fig.9 Subemerged depth of glider as a function of time

图10 不同频点噪声级随深度变化关系Fig.10 Relationship between noise level and depth at different frequency points

6 结论

本文针对水下声学滑翔机样机研制对小尺寸、耐压复合同振式矢量水听器的迫切需求，设计面向水下滑翔机平台的耐压复合同振式矢量水听器，对其进行耐压能力、电声参数测试，以及利用水下滑翔机集成矢量水听器开展水声信号获取有效性海上试验验证。得出以下主要结论：

1) 矢量水听器采用矢量通道和声压通道一体化设计方案，各通道灵敏度和指向性参数与理论值吻合较好。

2) 矢量水听器最大可靠工作深度不小于1 200 m，可在100～3 000 Hz范围内有效采集声场信息，并给出了矢量水听器在20 Hz、60 Hz、100 Hz、200 Hz、1 kHz、3 kHz频点采集的海洋环境噪声级随着深度变化的关系，满足水下声学滑翔机样机研制应用需求。