速度式矢量水聽器設(shè)計與制作
鑒于聲波在海洋中遠(yuǎn)距離傳輸信息的有效性和可靠性，使其廣泛用于遠(yuǎn)距離軍事目標(biāo)探測、海底礦藏開發(fā)、魚群探測、海洋動力過程觀測、地震波檢測等領(lǐng)域。矢量水聽器作為一種新型的水下聲波接收換能器，可以獲得水下聲場的矢量信息參數(shù)，并且在抑制各項同性噪聲、目標(biāo)定位、低頻指向性等方面具有其顯著優(yōu)勢，為解決水聲領(lǐng)域問題提供了許多新的方法和思路。近年來，矢量水聽器技術(shù)憑借其良好的聲學(xué)性能已經(jīng)成為國內(nèi)外水聲技術(shù)領(lǐng)域中最具有發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较蛑弧?/span>
根據(jù)矢量水聽器接收信號的不同，又可以分為聲壓梯度式、加速度式與速度式。在實際應(yīng)用中聲壓梯度式與加速度式矢量水聽器由于其聲壓靈敏度為一條6dB/oct的斜線，為后續(xù)處理帶來一定的難度，而速度式矢量水聽器其聲壓靈敏度在諧振頻率以下時為一條水平直線，與聲壓水聽器類似，有利于后續(xù)處理。
為滿足聲學(xué)探測的需要，設(shè)計了一款速度式矢量水聽器，其工作頻帶為20Hz-2000Hz，聲壓靈敏度＞-200dB，凹點深度＞20dB。首先根據(jù)工作頻帶上限確定矢量水聽器的最大尺寸，通常要求矢量水聽器的尺寸要遠(yuǎn)小于波長，在實際中，其直徑小于波長的1/3即可滿足。
其中c為水中聲速，
為工作頻帶上限。由上式可以計算得到矢量水聽器的最大直徑需小于25cm。為分析矢量水聽器的工作性能，利用有限元軟件對速度式矢量水聽器進(jìn)行仿真分析，在仿真中矢量水聽器的直徑為20cm，采用的速度式傳感器其靈敏度為4V/(m/s)，仿真頻帶為20Hz-4000Hz。
圖1 矢量水聽器仿真模型與靈敏度曲線圖
圖1為矢量水聽器的仿真模型與靈敏度曲線圖，在仿真中矢量水聽器設(shè)為一中性密度的剛性球，外部為水域，施加一平面聲場入射到矢量水聽器上。從矢量水聽器靈敏度曲線圖中可以看出在20Hz-2000Hz的工作頻帶內(nèi)矢量水聽器的靈敏度約為-232dB，在2000Hz以后靈敏度曲線略有下降，在實際應(yīng)用中需要連接前置放大器保證信號的放大與遠(yuǎn)距離傳輸。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，矢量水聽器采用輕質(zhì)浮體材料作為耐壓殼體與平衡密度的材料，選用速度式傳感器作為信號接收器件，裝配后的矢量水聽器如圖2所示。
圖2 速度式矢量水聽器樣機(jī)
矢量水聽器裝配后在消聲水池中進(jìn)行測試，主要測試項目為矢量水聽器的靈敏度與指向性，測試結(jié)果如下圖所示。
圖3 矢量水聽器3通道靈敏度與指向性圖
圖3為速度式矢量水聽器樣機(jī)的x,y,z三通道的接收靈敏度與指向性圖，三個通道一致性較好，靈敏度約為-185dB（含前置放大），在20Hz-2000Hz的工作頻帶內(nèi)起伏約為5dB，三個通道指向性均為較好的余弦性指向性，凹點深度約為20dB。
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