謝 攀 張 愷

(海軍工程大學(xué)兵器系 武漢 430033)

?

柔性元件對(duì)同振式矢量水聽器接收性能影響研究*

謝 攀 張 愷

(海軍工程大學(xué)兵器系 武漢 430033)

建立了同振球型矢量水聽器的物理模型,利用該模型研究了柔性元件對(duì)水聽器工作頻率、振速幅值和相移等性能參數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明:水聽器尺寸一定時(shí),柔性元件彈性系數(shù)越小,水聽器下限工作頻率越低,一般在零點(diǎn)幾到幾赫茲之間;柔性元件主要影響低頻段振速幅值測量,且彈性系數(shù)越大,影響越大,而振速測量過程中由柔性元件引起的相移幾乎為零,可忽略不計(jì)。

同振式矢量水聽器; 柔性元件; 下限工作頻率; 振速幅值; 相移

Class Number TP212

1 引言

矢量水聽器是由聲壓水聽器和質(zhì)點(diǎn)振速水聽器復(fù)合而成的能同時(shí)測量聲壓信息和質(zhì)點(diǎn)振速信息的新型水聽器[1～3]。其低頻指向性好,空間增益高[4],較傳統(tǒng)聲壓水聽器及其基陣體積更小,可設(shè)計(jì)為水下小尺度平臺(tái)聲學(xué)探測裝置。根據(jù)工作原理的不同,矢量水聽器可分為壓差式矢量水聽器和同振式矢量水聽器,其中,同振式矢量水聽器能夠直接測量聲場中的質(zhì)點(diǎn)振速,本身不產(chǎn)生明顯的聲場畸變,可以視為點(diǎn)接收器,而且性能參數(shù)穩(wěn)定,在民用和軍事領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

同振式矢量水聽器一般由內(nèi)置傳感器、外殼、與外殼連接的柔性元件組成,其中柔性元件通常采用橡皮繩或彈簧。實(shí)際工程應(yīng)用中,同振式矢量水聽器通過柔性元件懸置于大質(zhì)量框架上,從而能有效隔離平臺(tái)振動(dòng)對(duì)矢量水聽器的影響,保證水聽器的時(shí)間平均位置[5～6]。國內(nèi)外對(duì)同振式矢量水聽器的研究主要集中于內(nèi)置傳感器設(shè)計(jì)與改進(jìn)上,對(duì)于外圍柔性元件的研究較少。而作為矢量水聽器中的關(guān)鍵元件,其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響矢量水聽器的接收性能,因此,為了更好地掌握柔性元件對(duì)矢量水聽器接收性能的影響,本文以同振式矢量水聽器為研究對(duì)象,通過建立相應(yīng)的力學(xué)模型和等效電路模型,分析柔性元件對(duì)工作頻率,振速幅值和相移等性能參數(shù)的影響,為其中柔性元件設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 振動(dòng)模型分析

目前國內(nèi)外常用的矢量水聽器的懸掛方式有兩根柔性元件垂直懸掛、六根柔性元件互相垂直懸掛、八根柔性元件垂直懸掛和八根柔性元件傾斜懸掛[7]。本文考慮將同振球型矢量水聽器通過六根互相垂直的彈性系數(shù)為K的彈簧懸置于大質(zhì)量框架上。如圖1所示,柔性元件的初始長度為l0,水聽器固定于原點(diǎn)O時(shí)柔性元件被拉伸變?yōu)閘,此時(shí)各柔性元件的變形量均為Δl=l-l0。

圖1 同振球型矢量水聽器懸置示意圖

圖2 同振球型矢量水聽器振動(dòng)示意圖

為便于討論,本文根據(jù)同振球型矢量水聽器的工作原理以及懸掛系統(tǒng)的特性,假設(shè):水聽器的外形尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲波波長,幾何中心與重心重合,且平均密度等于水介質(zhì)的密度;平面聲波在XOY平面內(nèi)入射到水聽器上,水聽器在入射方向上以原點(diǎn)為中心做微幅振動(dòng),不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),且只考慮柔性元件的縱向拉伸力,而忽略其他方向作用力。圖2所示即為矢量水聽器的振動(dòng)示意圖,它的動(dòng)力學(xué)模型可以表示為一個(gè)單自由度的球體—柔性元件振動(dòng)系統(tǒng)。為了直觀地表示矢量水聽器的受力情況,采用等效電路法分析此系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。

圖3 矢量水聽器等效電路模型

如圖3所示,F為聲壓作用于球體表面的作用力,Fr為柔性元件在外界刺激作用下對(duì)水聽器的總作用力,Zm和ZR分別表示自由球體在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械阻抗和輻射阻抗。

由聲學(xué)理論知識(shí)可知[8]:

(1)

由文獻(xiàn)[9]可知作用力Fr為

Fr=j·2K(3-2l0/l)·Vc/ω

(2)

由于l0及l(fā)已知,所以當(dāng)柔性元件彈性系數(shù)K一定時(shí),Fr只與水聽器的振速幅值Vc和入射聲波角頻率ω有關(guān)。

耳聾分為神經(jīng)性、傳導(dǎo)性和混合性三類，神經(jīng)性耳聾是因感音神經(jīng)出現(xiàn)障礙；傳導(dǎo)性耳聾是因內(nèi)耳有炎癥，有積水；混合性耳聾是上面兩種因素交叉引起的。如果發(fā)現(xiàn)老人聽力下降，可進(jìn)行純音測聽、聲導(dǎo)抗和耳聲發(fā)射等檢查，然后對(duì)癥下藥。

Zm,ZR分別為[10]

(3)

式中,M為矢量水聽器的質(zhì)量,ρ水為水介質(zhì)密度,c水為水中聲波傳播速度。

故矢量水聽器和柔性元件組成的球體—柔性元件振動(dòng)系統(tǒng)總機(jī)械阻抗為[11]

(4)

當(dāng)系統(tǒng)的總機(jī)械阻抗的虛部為零時(shí),系統(tǒng)發(fā)生諧振,由此可求得此系統(tǒng)的諧振頻率為

(5)

當(dāng)接收面在聲波作用下產(chǎn)生振動(dòng)時(shí),作用在接收器表面的作用力F與其接收面的實(shí)際振速幅值Vc之間的關(guān)系為:Vc=F/Z總。又入射聲波在球心處的質(zhì)點(diǎn)振速為vw(t)=Vwejωt=(p0/ρ0c水)ejωt,故結(jié)合式(4)可得水聽器振速幅值與水質(zhì)點(diǎn)的振速幅值比為

(6)

相位角φ為

(7)

其中E=2K(3-2l0/l)/ω2,它是一個(gè)與柔性元件彈性系數(shù)K及聲波頻率ω有關(guān)的參數(shù)。

在矢量水聽器實(shí)際使用過程中,內(nèi)置傳感器的諧振頻率控制著矢量水聽器的上限工作頻率,而球體柔性元件振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率決定著矢量水聽器工作頻率的下限。由式(5)、式(6)可知:柔性元件對(duì)矢量水聽器接收性能的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是水聽器工作頻率的下限,二是水聽器對(duì)質(zhì)點(diǎn)振速的測量。

3 結(jié)果與分析

取l0=0.20m、l=0.25m,由式(5)可知矢量水聽器下限工作頻率f為

(8)

分別計(jì)算不同直徑水聽器的下限工作頻率f隨柔性元件彈性系數(shù)K的變化規(guī)律,結(jié)果見圖4。由計(jì)算結(jié)果可知:當(dāng)柔性元件

3.2 柔性元件對(duì)振速測量的影響

取水聽器球體半徑a=0.04m,l0=0.20m、l=0.25m,分析柔性元件對(duì)水聽器所測振速幅值和相位的影響規(guī)律,結(jié)果見圖5。計(jì)算結(jié)果表明:柔性元件對(duì)矢量水聽器振速幅值測量的影響主要表現(xiàn)在低頻段,且柔性元件的彈性系數(shù)K值越大,影響越大;而振速測量過程中由柔性元件引起的相移幾乎為零,可忽略不計(jì)。

4 結(jié)語

本文以同振式矢量水聽器工作原理及懸掛系統(tǒng)基本要求為基礎(chǔ),通過分析同振球型矢量水聽器水下振動(dòng)的物理模型及等效電路模型,研究了柔性元件對(duì)同振式矢量水聽器接收性能的影響。研究結(jié)果表明: 1) 柔性元件對(duì)矢量水聽器接收性能的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是水聽器工作頻率的下限,二是水聽器對(duì)質(zhì)點(diǎn)振速的測量; 2) 水聽器尺寸一定時(shí),柔性元件彈性系數(shù)越小,水聽器下限工作頻率越低,一般在零點(diǎn)幾赫茲到幾赫茲的范圍內(nèi); 3) 柔性元件對(duì)振速幅值測量的影響主要表現(xiàn)在低頻段,且柔性元件的彈性系數(shù)越大,影響越大; 4) 振速測量過程中由柔性元件引起的相移幾乎為零,可忽略不計(jì)。

圖5 柔性元件對(duì)矢量水聽器振速測量的影響

[1] 孫貴青,李啟虎.聲矢量傳感器研究進(jìn)展[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2004,29(6):481-490.

[2] 孫貴青.矢量水聽器檢測技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2001.

[3] Leslie C B, Kendall J M, Jones J L. Hydrophone for measuring particle velocity[J]. J. Acoust. Soc. Am,1956,28:711-715.

[4] 楊德森,洪連進(jìn).矢量水聽器原理及應(yīng)用引論[M].北京:科學(xué)出版社,2009:1-2.

[5] Kim K. Investigation of an underwater acoustic vector sensor[D]. Pennsylvania: The Pennsylvania state University,2002.

[6] 賈志富.三維同振型矢量水聽器的特性及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用聲學(xué),2001,20(4):15-20.

[7] 張俊.潛標(biāo)平臺(tái)下的矢量水聽器懸掛系統(tǒng)聲學(xué)性能影響研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2012.

[8] 何祚鏞,趙玉芳.聲學(xué)理論基礎(chǔ)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1981.

[9] 時(shí)勝國.矢量水聽器及其在平臺(tái)上的應(yīng)用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2006.

[10] Morse P, Ingard U. Theoretical Acoustics[M]. Princeton: Princeton University Press,1968:128.

[11] 時(shí)勝國,楊徳森.彈性元件對(duì)同振型振速水聽器的影響[J].應(yīng)用聲學(xué),2004,23(5):21-26.

Effect of Flexible Element on Receiving Performance of Co-vibrating Vector Hydrophone

XIE Pan ZHANG Kai

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

A physical model of the vibrating sphere type vector hydrophone is established, and the flexible components influence on hydrophone frequency, vibration amplitude and phase shift performance parameters are studied by the model. The results show that when the hydrophone size is certain, the smaller elasticity of the flexible member, the lower limit on hydrophone lower working frequency, generally between a few tenths to a few hertz. Flexible components mainly affects the low frequency vibration velocity amplitude measurement, and the elastic coefficient is big, the greater the influence, and the phase shift caused by the flexible components in the process of velocity measuring is almost zero, negligible.

co-vibrating vector hydrophone, flexible components, lower working frequency, vibration amplitude, phase shift

2014年10月12日,

2014年11月29日

謝攀,男,碩士研究生,研究方向:武器系統(tǒng)運(yùn)用與保障工程。張愷,男,博士研究生,研究方向:武器系統(tǒng)運(yùn)用與保障工程。

TP212

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.038