DFB光纤激光水听器舷侧声障模块设计与实验验证

周 璇, 宋文章,2, 黄俊斌*, 顾宏灿, 赵宏琳, 陈思彤

DFB光纤激光水听器舷侧声障模块设计与实验验证

周 璇1, 宋文章1,2, 黄俊斌1*, 顾宏灿1, 赵宏琳1, 陈思彤1

(1. 海军工程大学 兵器工程学院, 湖北 武汉, 430033; 2. 中国人民解放军91388部队, 广东 湛江, 524002)

文中结合某水下平台舷侧的实际需求, 基于分布反馈式(DFB)光纤激光水听器技术, 设计小尺度舷侧模块。仿真中采用分层介质中的弹性波模型建立声障板模型, 并对声障板合理选材, 制备了4阵元DFB光纤激光水听器舷侧模块, 并测试了舷侧模块的灵敏度。实验结果表明, 舷侧模块中水听器相对灵敏度提高, 响应相对平坦, 初步验证了设计方案的可行性。

水下平台; 分布反馈式; 光纤激光水听器; 弹性波; 声障板; 相对灵敏度

0 引言

随着对海洋开发利用的不断深入, 无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)的作用日益凸显, 并成为各国重点在研水下装备[1]。但由于UUV体积小, 改装空间有限, 因此对其探测声呐的适装性提出了更高的要求。

目前, 分布反馈式(distributed feedback, DFB)光纤激光水听器由于探头尺寸可以小至毫米量级, 便于复用成阵, 因此在水下小平台上应用前景广阔[2-3]。水听器阵列作为声呐系统的水下分机, 在安装过程中一般采用声障板固定, 既可适当改善水听器频响特性, 又能够隔离内部机械噪声的干扰[4-5]。基于声障板的水听器频响特性研究一直是行业研究的热点。曹宇等[6]基于遗传算法设计了在变角度和变频率条件下, 声障板保持最小反射系数的优化算法; 刘宝等[7]采用单层势和双层势求解并比较了有障板和无障板的声辐射特性; 王敏慧等[8]利用有限元法研究了声障板对圆柱换能器轴向波束的抑制特性; Bertilone等[9]提出一种基于无限刚性柱面散射理论, 计算声障板下高频段阵列增益模型; Wear等[10]测量了基于反射的光纤水听器在多个频率下的指向性, 并与刚性障板、刚性活塞、柔性障板及无障板的理论模型进行比较, 得出在不同模型下水听器灵敏度单元的有效半径。

文中结合UUV的实际需求, 通过理论仿真, 对声障板合理选材, 设计并制备了4阵元DFB光纤激光水听器舷侧模块, 并进行了实验验证, 取得了较为理想的效果。

1 水听器声障板参数优化设计

声障板模型采用分层介质中的弹性波模型建立, 考虑水声探测在远场条件下进行, 声障板厚度较薄, 故分析声障板模型时将水听器作为点源, 并忽略反射波的相位变化。在任意多层结构障板上声波的传播规律如图1所示。

图1 水听器在任意多层障板上的反射示意图

图中, 水听器固定在+1层, 距层上表面高度为。当平面波以某角度入射时, 水听器同时受到入射声波和反射声波的叠加作用。声波在固体介质中传播时, 在每一层均产生分别沿方向和方向传播的纵波和横波, 沿方向传播的纵波和横波可分别表示为[4]

在固体介质中第层方向和方向的位移分别为

应力为

将式(1)和式(2)代入式(3)～(6)中, 在障板第层上下表面可分别表示为

将式(7)和式(8)中上下表面力和位移的关系式连立, 得

考虑任意两层之间界面连续, 任意多层障板中应力与位移关系式迭代为

在第1层和第+1层半无限大的水介质中无剪切力, 将式(11)中模型简化为

第1层和第+1层为水介质, 则

在固液相交边界, 竖直方向声压和振速连续, 连续性方程为

结合式(13), 建立障板中力和位移与水中声压、振速的连续性迭代关系

由式(14)～(17)推导出水中声压和振速为

由上述公式及声压、振速、应力和位移的连续性关系, 得

对式(14)、式(16)和式(25)联立化简, 得到障板下水听器声压表达式

水听器在自由场下只考虑入射声, 不考虑反射声, 中心声压为

文中使用相对灵敏度[4-5]来衡量障板为水听器带来的增益, 定义为: 障板结构中, 水听器实际接收声压与自由场下水听器接收声压之比, 可表示为

考虑声波垂直入射的情况, 分析水听器相对灵敏度与声障板特性参数间的关系。图2给出了不同材料下, 水听器相对灵敏度与入射声波频率和障板厚度的关系, 其中障板的物性参数如表1所示。可见在3～10 kHz的频带内, 障板厚度越厚, 水听器响应越平坦: 对比钢、铜、铝3种常见障板材料, 当声障板厚度达到10 mm时, 钢和铜2种材料相对灵敏度起伏在3 dB之内, 而铝材料的相对灵敏度起伏明显较大, 说明声障密度是影响相对灵敏度的主要因素。密度越大, 相对灵敏度越容易平坦, 而铝的密度明显小于钢和铜。结合舷侧模块的应用, 初步选定钢材作为声障材料。

当水听器在声障板前安装固定时, 水听器与声障板距离和厚度等共同影响了声反射特性的效果。图3所示为选定障板材料下, 水听器相对灵敏度与障板距离和厚度的关系。由图可知, 相对灵敏度曲线中, 最大值约为5 dB, 未能达到理论值6 dB, 表明此时的相对位置未能达到波的完全叠加; 达到最大值后相对灵敏度缓慢下降, 下降到0以后, 为负增益, 即在反射声作用下, 叠加后声信号减弱; 当水听器距离声障板0.025 m时, 相对灵敏度最小值约出现在16 kHz处; 当水听器距离声障板0.05 m处时, 相对灵敏度最小值约出现在8 kHz处。由此可见, 随着水听器距离声障板距离减小, 相对灵敏度极小值频率点提高; 相比水听器距声障板距离, 障板厚度对相对灵敏度影响更小, 且随着厚度增加, 灵敏度极小值频率点略有降低。为保证在3～10 kHz的频段内, 相对灵敏度较高且响应平坦, 宜选择适当厚度的声障板, 且水听器应尽可能贴近障板表面。

图2 不同材料下水听器相对灵敏度与声波频率和障板厚度的关系

表1 材料物性参数

图3 水听器相对灵敏度与障板距离和厚度的关系

2 二次封装下的DFB光纤激光水听器

舷侧模块在实际制备时, 需在障板前密封透声聚氨酯, 形成一体化结构。如图4所示, 在复合层中, DFB光纤激光水听器位于聚氨酯层(粘弹性层)和障板层的交界处, 复合结构物性参数如表2所示。

图4 聚氨酯封装下的DFB光纤激光水听器模块

表2 复合结构物性参数

图5为复合层中不同声波频率入射时, 水听器相对灵敏度随粘弹性层厚度及声障板厚度的变化规律。与图2对比可知, 在聚氨酯封装下, 灵敏度增益峰值降低约1 dB, 这是由于声能量在聚氨酯层中少量的反射损失所导致的。在聚氨酯层厚度不变的情况下, 声障板厚度对水听器相对灵敏度起伏影响较大, 并呈周期性变化; 随着声波频率增加, 波长变小, 水听器相对灵敏度变化周期减小, 且相对灵敏度为负的区域随入射声波频率的变化而变化。所以在实际的设计中, 要选择合适的声障厚度提高相对灵敏度, 避免灵敏度的降低。

图5 不同声波频率下水听器相对灵敏度与障板及粘弹性层厚度之间的关系

在声障板厚度不变的情况下, 水听器相对灵敏度随聚氨酯层厚度变化很小, 可以认为在粘弹性层中, 声波透射起主要作用, 反射较少, 对水听器相对灵敏度的影响可忽略不计。

3 实验设计与验证

综合以上水听器相对灵敏度的影响因素, 结合实际选定声障材料及厚度, 最终制备了4阵元DFB光纤激光水听器舷侧模块, 如图6所示。

在消声水池利用自由场比较法, 测试舷侧模块灌注前后的水听器灵敏度, 测试系统如图7所示。在消声水池中, 信号发生器经功率放大器, 由发射换能器发射脉冲信号, 待测水听器或舷侧模块靠近标准水听器, 固定在旋转升降台上, 数据采集与分析系统分别获得标准水听器的参考信号及经光路解调系统的DFB光纤激光水听器接收的待测信号, 进而得出待测水听器灵敏度[2]。

图6 DFB光纤激光水听器舷侧模块实物图

图7 DFB光纤激光水听器灵敏度测试系统

舷侧模块中, 编号分别为22105、22703的DFB光纤激光水听器在舷侧模块制备前后的灵敏度对比如图8和图9所示。图中, 在3～10 kHz的频段内, 舷侧模块制备后, 编号为22105和22703的DFB光纤激光水听器的灵敏度分别为(–129.2±1.4) dB和(–133.1±0.9) dB, 较模块制备前的灵敏度有所提高, 表明在舷侧模块中, 阵元相对灵敏度提高, 频率响应相对平坦, 声障结构设计合理。

4 结束语

文中针对某水下平台舷侧的实际应用, 基于DFB光纤激光水听器技术, 对小尺度舷侧模块的声障板进行了设计与实验验证。通过理论分析声障层、聚氨酯层对水听器灵敏度的影响, 对声障板合理选材, 设计厚度, 并完成了DFB光纤激光水听器舷侧阵4阵元模块的试制。随后, 在消声水池中进行了水听器模块灵敏度测试。

图8 DFB光纤激光水听器22105灵敏度对比曲线

图9 DFB光纤激光水听器22703灵敏度对比曲线

根据实验结果, 在3～10 kHz的频段内, 舷侧模块中, 水听器阵元的相对灵敏度提高, 频率响应相对平坦, 初步验证了设计方案的可行性。

在声障理论模型建立中, 考虑DFB光纤激光水听器模块在消声水池中实际的测试条件, 将声障模型的第1层材料建模为水介质, 使文中实验与理论仿真条件更为吻合; 如考虑模块的实际安装情况, 声障板第1层可建模为空气介质, 此时在声障模型的第1层和第2层的交界处, 仍无剪切力, 公式推导形式不变, 对理论仿真分析的结果影响很小, 不影响仿真参数的规律性分析; 同时, 理论模型中仅考虑了声障厚度与相对灵敏度的对应关系, 受声障边缘效应的影响, 声障实际宽度对水听器指向性有一定影响, 后续需结合工程实际进行进一步的理论与实验分析。相比压电水听器, DFB光纤激光水听器的阵元之间不一致性较大、频带内灵敏度起伏较大, 后续可通过改进水听器本身的性能加以提升。

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Design and Experimental Verification of Sidewall Sound Barrier Module of DFB Fiber Laser Hydrophone

ZHOU Xuan1, SONG Wen-zhang1,2, HUANG Jun-bin1*, GU Hong-can1, ZHAO Hong-lin1, CHEN Si-tong1

(1. College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Unit 91388th, The People’s Liberation Army of China, Zhanjiang 524002, China)

A small-scale side module was designed based on distributed-feedback(DFB) fiber laser hydrophone technology. An acoustical baffle model was designed using an elastic wave model in a layer media. After a reasonable selection of materials for the acoustic baffle, a four-array DFB fiber laser hydrophone side module was fabricated. The sensitivities and directivities of the side modules were tested. The experimental results demonstrated that the relative sensitivity of the hydrophone module was enhanced and the response was flat. The feasibility of the scheme was preliminarily verified.

underwater platform; distributed-feedback; fiber laser hydrophone; elastic wave; acoustic baffle; relative sensitivity

周璇, 宋文章, 黄俊斌, 等. DFB光纤激光水听器舷侧声障模块设计与实验验证[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30 (2): 254-259.

TJ630.34; U666.7

A

2096-3920(2022)02-0254-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.017

2021-03-31;

2021-07-06.

周 璇(1995-), 硕士, 主要研究方向为光纤传感技术.

黄俊斌(1965-), 男, 教授, 博士, 主要研究方向为光纤传感技术.

(责任编辑: 杨力军)