喬子椋, 張群飛, 雷開卓

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聲自導(dǎo)換能器在強(qiáng)聲脈沖下的響應(yīng)特性分析

喬子椋, 張群飛, 雷開卓

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

為了分析強(qiáng)聲脈沖對(duì)自導(dǎo)系統(tǒng)的作用效果, 需要研究聲自導(dǎo)換能器在強(qiáng)聲脈沖下的響應(yīng)特性。根據(jù)導(dǎo)納圓圖法建立了復(fù)合棒型聲換能器的等效電路模型, 并進(jìn)行了仿真。仿真中強(qiáng)聲脈沖信號(hào)使換能器等效電路產(chǎn)生振蕩。在水下強(qiáng)聲試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行了水下強(qiáng)聲試驗(yàn), 采集了強(qiáng)聲脈沖信號(hào)及換能器輸出信號(hào), 試驗(yàn)中強(qiáng)聲脈沖亦使換能器產(chǎn)生了振蕩, 與仿真結(jié)果相符, 也驗(yàn)證了等效電路模型的合理性。研究還發(fā)現(xiàn), 不同換能器產(chǎn)生的振蕩相關(guān)性差, 使方位估計(jì)無(wú)法正常進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明, 強(qiáng)聲脈沖可對(duì)自導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的壓制效果, 使其進(jìn)入致盲狀態(tài), 對(duì)抗效果明顯。

聲換能器; 導(dǎo)納圓圖; 等效電路; 強(qiáng)聲脈沖; 響應(yīng)特性

0 引言

魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)是指以水聲物理場(chǎng)作為控制場(chǎng), 利用目標(biāo)輻射或反射的聲能量發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 測(cè)定其參量, 并對(duì)魚雷進(jìn)行導(dǎo)引控制的系統(tǒng)。它由聲學(xué)基陣、發(fā)射機(jī)、收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)、接收機(jī)和指令系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成。聲學(xué)基陣由若干換能器陣元組成, 它的作用是進(jìn)行電聲轉(zhuǎn)換和聲電轉(zhuǎn)換。

水下爆炸具有持續(xù)時(shí)間短、瞬時(shí)聲壓級(jí)高、頻率分布寬和傳播距離遠(yuǎn)等聲學(xué)特性。據(jù)相關(guān)記載, 水下彈藥連續(xù)爆炸產(chǎn)生的聲波從幾十赫茲到50 kHz以上都有相當(dāng)強(qiáng)的聲功率, 可完全覆蓋目前世界上魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)的各個(gè)工作頻段[1]。因此, 當(dāng)利用水下爆炸形成的強(qiáng)聲脈沖作為對(duì)抗聲自導(dǎo)魚雷的干擾源時(shí), 其強(qiáng)勁的聲波將會(huì)使魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)生偵聽飽和、阻塞抑制, 使自導(dǎo)跟蹤失去目標(biāo)接觸, 達(dá)到較好的對(duì)抗效果[2-3]。

與水下爆炸類似的水下定向聲能技術(shù)是艦艇水下防御領(lǐng)域內(nèi)一項(xiàng)全新的研究?jī)?nèi)容[4], 它利用強(qiáng)聲脈沖的定向聚焦, 在一定區(qū)域形成能量集中的聚焦壓力波, 作為一種有效的硬殺傷手段可大大提高艦艇防御能力, 是水下防御的發(fā)展方向之一。同時(shí), 在聲波的強(qiáng)度尚達(dá)不到硬殺傷效果時(shí), 強(qiáng)聲能的定向聚焦就成為一個(gè)強(qiáng)聲干擾源。

本文的強(qiáng)聲干擾源利用液電效應(yīng)和聲束聚焦技術(shù), 通過水下瞬時(shí)放電產(chǎn)生水下沖擊波, 實(shí)現(xiàn)水下聲能量的定向聚焦[4]。水下放電強(qiáng)聲源由充放電回路、觸發(fā)開關(guān)、放電開關(guān)、傳輸電纜及控制部分組成。充電回路包含感應(yīng)調(diào)壓器、LC諧振系統(tǒng)及升壓整流系統(tǒng), 負(fù)責(zé)給電容器組快速充電。放電回路包括電容器組、觸發(fā)放電開關(guān)、傳輸線纜及水下放電間隙(放電電極)。當(dāng)給電容器組充上高壓, 在高壓觸發(fā)脈沖作用下, 觸發(fā)放電開關(guān)導(dǎo)通, 電容器組通過放電開關(guān)經(jīng)傳輸電纜在水下放電, 產(chǎn)生強(qiáng)烈的爆炸, 形成強(qiáng)聲脈沖。

由于強(qiáng)聲直接作用在換能器上, 因此在分析自導(dǎo)系統(tǒng)在強(qiáng)聲脈沖輻射下的響應(yīng)時(shí), 首先需要建立換能器的等效電路, 如何對(duì)特定類型的換能器建立有效的、精確的等效電路, 將直接影響到強(qiáng)聲脈沖式水聲對(duì)抗器材的壓制效果仿真。本文通過精密阻抗分析儀對(duì)換能器進(jìn)行測(cè)量, 根據(jù)導(dǎo)納圓圖法得到換能器的等效電路, 再利用MultiSim軟件仿真分析在單次強(qiáng)聲脈沖下, 換能器等效電路的響應(yīng)特性, 最后進(jìn)行試驗(yàn)并與仿真結(jié)果對(duì)比, 驗(yàn)證換能器的等效電路的有效性和精確性, 為分析魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)與強(qiáng)聲脈沖干擾器的對(duì)抗反對(duì)抗性能奠定了基礎(chǔ)。

1 換能器等效電路的建模

為了提供換能器與自導(dǎo)系統(tǒng)的電子發(fā)射、接收設(shè)備之間阻抗匹配的數(shù)據(jù), 研究、分析換能器的性能, 通常需要測(cè)量換能器的等效電路。如果忽略電損耗, 一個(gè)壓電換能器的靜態(tài)等效電路是一個(gè)純電容, 當(dāng)換能器振動(dòng)輻射聲能量時(shí), 還存在動(dòng)態(tài)阻抗, 這是由于換能器振動(dòng)部分的力阻抗和介質(zhì)對(duì)振動(dòng)部分的反作用而產(chǎn)生的, 動(dòng)態(tài)阻抗總可以用電阻、電感和電容來(lái)表示。如果在離某一共振頻率很遠(yuǎn)的頻率上沒有其他共振, 則在這個(gè)共振頻率附近, 可把壓電換能器近似看成一個(gè)集總系統(tǒng)[5]。另外, 如果考慮到換能器的電損耗, 需在換能器等效電路中并聯(lián)一個(gè)損耗電阻, 于是換能器的等效電路如圖1所示[6]。

圖1 考慮電路損耗的壓電換能器集總等效電路

圖1中,0是靜態(tài)電容,1,1及1分別為動(dòng)態(tài)阻抗中的電阻、電容、電感,R為換能器的損耗電阻。本文討論的換能器為復(fù)合棒聲換能器, 其機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q較高, 故可根據(jù)導(dǎo)納圓圖法, 采用寬頻帶阻抗分析儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)量[6]。為獲得更逼近實(shí)際工作狀態(tài)的測(cè)量結(jié)果, 本文利用平衡測(cè)量方法, 在溫度、靜壓等環(huán)境條件達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后, 使用Agilent 4294A寬頻帶精密阻抗分析儀, 分別測(cè)量得到電導(dǎo)和電納隨頻率變化的曲線, 如圖2所示，其中下圖為曲線局部圖。

圖2 換能器導(dǎo)納-頻率曲線

根據(jù)導(dǎo)納-頻率曲線, 可以做出導(dǎo)納圓圖, 圖3為測(cè)量換能器等效電路的導(dǎo)納圓圖, 對(duì)原始導(dǎo)納圓圖進(jìn)行擬合, 擬合后為一閉合理想導(dǎo)納圓, 由該導(dǎo)納圓的直徑可得

過圓心作垂直于電導(dǎo)軸的直線, 交圓周于兩點(diǎn)和, 這兩點(diǎn)的頻率假定分別為1和2, 得

式中，ω=2πf。由導(dǎo)納圓沿電納軸平移的距離得

從圖3看出, 導(dǎo)納圓沒有與電納軸相切, 而是與其有一定距離, 即整個(gè)導(dǎo)納圓向電導(dǎo)增大方向平移一段距離, 該距離在數(shù)值上等于1/R, 故

綜上所述, 利用導(dǎo)納圓圖法得到了復(fù)合棒聲換能器的等效電路模型, 計(jì)算出各器件參數(shù)分別為

2 強(qiáng)聲脈沖下?lián)Q能器響應(yīng)的仿真

根據(jù)測(cè)量得到的等效電路, 在NI公司的電路仿真軟件MultiSim 10.1中, 對(duì)復(fù)合棒聲換能器在強(qiáng)聲脈沖下的響應(yīng)特性進(jìn)行仿真。仿真中的信號(hào)源由MultiSim軟件中的分段線性電壓源(PIECEWISE_LINEAR_VOLTAGE)采用數(shù)據(jù)文件輸入的方式, 直接讀取試驗(yàn)中水下爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)聲信號(hào)。假設(shè)換能器的接收靈敏度是-190 dB, 接收點(diǎn)脈沖聲壓峰值為236 dB時(shí), 換能器接收電壓峰值可達(dá)200 V, 其時(shí)域波形如圖4所示, 觀察等效電路的仿真輸出時(shí)域波形如圖5所示。由圖5可以看出, 單個(gè)強(qiáng)聲脈沖使換能器產(chǎn)生了一定持續(xù)時(shí)間的振蕩, 振蕩持續(xù)了約30 ms的時(shí)間。由此可推測(cè)自導(dǎo)系統(tǒng)的聲換能器在強(qiáng)聲脈沖的干擾下會(huì)產(chǎn)生振蕩, 且幅值較大。

圖4 實(shí)測(cè)水下強(qiáng)聲脈沖時(shí)域波形

圖5 強(qiáng)聲脈沖下?lián)Q能器響應(yīng)的時(shí)域仿真波形

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

3.1 試驗(yàn)條件

在水下強(qiáng)聲對(duì)抗試驗(yàn)系統(tǒng)中, 將2個(gè)復(fù)合棒聲換能器平行置于同一水平面上, 使其喇叭形前蓋板對(duì)準(zhǔn)同一方向, 兩者之間的距離約為10 cm。在該水平面上, 距離換能器前蓋板平面約2 m處放置水下放電強(qiáng)聲源, 其俯視圖如圖6所示。

水下強(qiáng)聲對(duì)抗試驗(yàn)系統(tǒng)的水箱尺寸約為(3×1×1) m, 水下強(qiáng)聲源傳播到換能器處的聲壓約為10 MPa, 同時(shí), 在換能器的輸出端接有衰減器或者保護(hù)正反向保護(hù)二極管。

圖6 強(qiáng)聲源和換能器俯視圖

3.2 單換能器輸出結(jié)果及分析

水下放電產(chǎn)生單個(gè)強(qiáng)聲脈沖, 當(dāng)換能器輸出端沒有并聯(lián)雙向鉗位保護(hù)二極管時(shí), 離聲源2 m處換能器輸出時(shí)域波形如圖7, 輸出峰值電壓為108 V。功率譜如圖8, 換能器靈敏度為-190 dB。由圖8知, 在爆炸產(chǎn)生的激波后面, 存在由氣泡脈動(dòng)產(chǎn)生的兩個(gè)較大的壓力脈沖, 其后聲壓值衰減很快。圖中看出, 原本頻帶從幾十赫茲到50 kHz以上的水下強(qiáng)聲脈沖, 被換能器的頻率響應(yīng)所濾波, 主要功率集中在25 kHz以及5 kHz以下強(qiáng)聲能量集中的頻段。當(dāng)在換能器輸出端將兩個(gè)1N4148型二極管正反并聯(lián), 作為雙向鉗位保護(hù)二極管時(shí), 換能器的輸出時(shí)域波形如所示。

圖7 無(wú)保護(hù)二極管時(shí)換能器的強(qiáng)聲脈沖響應(yīng)

圖8 無(wú)保護(hù)二極管時(shí)換能器的強(qiáng)聲脈沖響應(yīng)功率譜

圖9 并聯(lián)保護(hù)二極管時(shí)換能器的強(qiáng)聲脈沖響應(yīng)

由圖9中可以看出, 在單個(gè)強(qiáng)聲脈沖作用下, 換能器產(chǎn)生了振蕩, 且振蕩持續(xù)了約40 ms的時(shí)間, 振幅衰減較慢。在振蕩過程中, 出現(xiàn)了由1個(gè)激波和3個(gè)氣泡脈沖引起的換能器輸出電壓的跳變。經(jīng)過分析, 振蕩持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的原因在于, 換能器中的等效電感、電容等組件與正反向二極管形成振蕩回路, 在強(qiáng)聲脈沖激勵(lì)下形成自激振蕩。

3.3 多換能器相關(guān)結(jié)果及分析

在實(shí)際工作中, 由于換能器陣是在干擾背景下接收有用信號(hào)的, 因此在設(shè)計(jì)陣時(shí)都采用了信號(hào)和噪聲各自的空間相關(guān)特性提高信噪比, 增強(qiáng)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)能力。一般說來(lái), 各陣元接收的目標(biāo)信號(hào)相關(guān)性越強(qiáng), 接收的噪聲信號(hào)相關(guān)性越弱, 陣列處理的陣增益越高。聲場(chǎng)的空間相關(guān)性是以空間坐標(biāo)為變量的函數(shù), 描述在空間一定距離上的兩點(diǎn)接收聲信號(hào)的相似程度, 常用相關(guān)函數(shù)或相關(guān)系數(shù)表征其相關(guān)性。

接收機(jī)工作時(shí), 依據(jù)多個(gè)陣元接收信號(hào)之間的時(shí)移(相移)對(duì)目標(biāo)方位進(jìn)行估計(jì), 而估計(jì)時(shí)須保證各陣元信號(hào)具備相關(guān)性, 此時(shí)換能器陣的空間增益為

式中: (,)為聲線入射方向;為陣的工作角頻率;(,,)為信號(hào)陣的相關(guān)系數(shù);(,,)為噪聲陣的相關(guān)系數(shù)。

在噪聲相關(guān)系數(shù)一定的情況下, 當(dāng)信號(hào)處于全相關(guān)狀態(tài), 即(,,)=1時(shí), 處理增益最大。在對(duì)抗過程中, 若目標(biāo)投放強(qiáng)聲對(duì)抗裝備, 由于強(qiáng)聲脈沖覆蓋了自導(dǎo)系統(tǒng)的工作頻段, 由式(7)可以看出, 信號(hào)陣的相關(guān)系數(shù)的變化將會(huì)影響主被動(dòng)自導(dǎo)系統(tǒng)的工作。

根據(jù)以上分析, 對(duì)多換能器在強(qiáng)聲脈沖下的相關(guān)性進(jìn)行試驗(yàn)計(jì)算, 以便分析強(qiáng)聲脈沖對(duì)自導(dǎo)系統(tǒng)換能器陣的影響。兩換能器(都并聯(lián)有保護(hù)二極管)在單個(gè)強(qiáng)聲脈沖下輸出時(shí)域波形見圖9, 局部放大波形見圖10。從局部波形圖中可以看出，兩者雖然都是限幅振蕩, 但在過零點(diǎn)位置、疏密分布等方面都有較大差異。

圖11是兩換能器輸出信號(hào)互相關(guān)系數(shù)曲線。用互相關(guān)計(jì)算時(shí)，兩通道時(shí)延為0.100 ms, 聲程差為149.8 mm。圖中，互相關(guān)系數(shù)最大值約為0.23, 說明該換能器的強(qiáng)聲脈沖響應(yīng)的相關(guān)性較差。相關(guān)系數(shù)最大值出現(xiàn)在=0.1 ms處, 而據(jù)布放情況, 兩換能器最大聲程差時(shí)延只有0.06 ms, 試驗(yàn)中強(qiáng)聲源方位10°, 對(duì)應(yīng)時(shí)延為0.011 6 ms, 顯然根據(jù)兩路信號(hào)時(shí)延無(wú)法判斷強(qiáng)聲源方位。

圖10 兩換能器的強(qiáng)聲脈沖響應(yīng)時(shí)域波形

圖11 兩換能器的強(qiáng)聲脈沖響應(yīng)的互相關(guān)系數(shù)變化曲線

根據(jù)試驗(yàn)條件, 若兩換能器的輸出具有相關(guān)性, 則依據(jù)兩通道的時(shí)延可估計(jì)出強(qiáng)聲源方位。對(duì)兩通道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段, 數(shù)據(jù)起始時(shí)刻為12 ms, 每段長(zhǎng)4 ms, 對(duì)每段數(shù)據(jù)用互相關(guān)估計(jì)通道間時(shí)延, 再解算聲源方位, 計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 目標(biāo)水平角估計(jì)值

由表1看出, 多數(shù)情況下這兩個(gè)換能器無(wú)法估計(jì)出目標(biāo)方位, 即使估計(jì)出目標(biāo)方位, 也與真實(shí)值偏差較大, 且各次估計(jì)值變化也較大。因此, 不論自導(dǎo)系統(tǒng)工作在主動(dòng)模式還是被動(dòng)模式下, 自導(dǎo)信號(hào)和艦艇噪聲信號(hào)都淹沒在強(qiáng)聲信號(hào)中, 自導(dǎo)系統(tǒng)探測(cè)到目標(biāo)后無(wú)法有效估計(jì)目標(biāo)方位。

4 結(jié)束語(yǔ)

在20 us寬的強(qiáng)聲脈沖作用下, 由于換能器與保護(hù)二極管形成自激振蕩回路, 聲換能器發(fā)生了持續(xù)時(shí)間40 ms以上的振蕩。多換能器在強(qiáng)聲脈沖作用下的輸出信號(hào)相關(guān)性很低, 試驗(yàn)室環(huán)境下?lián)Q能器在離聲源2 m處自導(dǎo)系統(tǒng)無(wú)法估計(jì)目標(biāo)方位, 進(jìn)入致盲狀態(tài)。研究結(jié)果表明, 水下強(qiáng)聲脈沖串產(chǎn)生系統(tǒng)可作為新的水聲對(duì)抗裝備, 對(duì)聲自導(dǎo)魚雷形成有效的壓制。然而, 在多遠(yuǎn)的距離上還能達(dá)到這種效果有待于進(jìn)一步深入研究。

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Response Characteristic of Acoustic Homing Transducer to Intense Sound Pulse

QIAO Zi-liang, ZHANG Qun-fei, LEI Kai-zhuo

(College of Marine Engineering, Northwestern Ploytechnical University, Xi′an 710072, China)

To evaluate the effect of intense sound pulse on homing system, the response characteristic of acoustic transducer to intense sound pulse is investigated. An equivalent circuit model of typical transducer is established based on the admittance circle diagram method. With this model, the response characteristic is analyzed by computer simulations, and the results show that an oscillation appears in the equivalent circuit due to the intense sound pulse. Water tank experiment is conducted in underwater intense sound experiment system, and the intense sound pulse signal as well as the output signal of the transducer is collected. In the experiment, intense sound pulse also leads to an excited oscillation of the transducer, which validates the correctness of the equivalent circuit model. Furthermore, the correlation among responses of different transducers is poor, which disturbs bearing estimation process. The experimental results indicate that intense sound pulse imposes an apparent suppression effect on the homing system, and brings torpedo into a blinding status.

acoustic transducer; admittance circle diagram; equivalent circuit; intense sound pulse; response characteristic

TJ630.34; TB56

A

1673-1948(2011)03-0187-05

2010-12-15;

2011-01-28.

國(guó)家自然科學(xué)基金(10974154), 國(guó)家大學(xué)生科技創(chuàng)新計(jì)劃(101069935).

喬子椋(1988-), 男, 在讀碩士, 研究方向?yàn)閷?shí)時(shí)對(duì)抗仿真.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)