謝 攀，徐 襲

(中國人民解放軍91388部隊(duì)，廣東 湛江 524022)

一種新型同振式矢量水聽器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能研究

謝 攀，徐 襲

(中國人民解放軍91388部隊(duì)，廣東 湛江 524022)

本文通過分析壓電加速度計(jì)的幅頻特性，設(shè)計(jì)一種中心位置固定安裝的懸掛系統(tǒng)，給出對應(yīng)的新型同振式矢量水聽器的設(shè)計(jì)方案，并對其性能進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，中心固定式矢量水聽器結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，適合水下小尺寸平臺的安裝使用，在工作頻帶內(nèi)可準(zhǔn)確測量聲場中聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速信息。

矢量水聽器；懸掛系統(tǒng)；仿真分析

0 引 言

矢量水聽器是一種能夠探測水聲振速、加速度等矢量信號的傳感器[1]，其低頻指向性好，空間增益高，較傳統(tǒng)聲壓水聽器及其基陣體積更小[2-3]。根據(jù)工作原理的不同，矢量水聽器可分為壓差式和同振式[4]，其中，同振式矢量水聽器可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，且性能參數(shù)穩(wěn)定，已被廣泛用于聲吶浮標(biāo)系統(tǒng)、拖曳陣低噪聲測量等領(lǐng)域[5]。

工作時(shí)，同振式矢量水聽器一般通過彈性元件懸掛安裝于大質(zhì)量框架之上[6]（見圖1）。外圍框架懸掛系統(tǒng)能效隔離工作平臺振動對水聽器的影響并保證其時(shí)間平均位置[7, 8]，但也使其難以應(yīng)用于深水炸彈、魚水雷等空間有限的小尺寸工作平臺。

本文通過分析壓電加速度計(jì)幅頻特性，獲得一種中心位置固定的懸掛方案，研究具有該新型懸掛系統(tǒng)矢量水聽器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對其性能進(jìn)行仿真分析，為下一步工程應(yīng)用提供一定理論依據(jù)。

1 新型懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將壓電加速度計(jì)簡化為由集中阻尼器C、彈簧K和集中質(zhì)量m構(gòu)成的二階單自由度系統(tǒng)，通過研究其頻率特性，獲得新型懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。如圖2所示，傳感器感受到振動體加速度時(shí)的運(yùn)動方程式為：

式中，y為殼體的絕對位移，x為質(zhì)量塊的絕對位移。

令ωn和ζ分別為加速度計(jì)固有頻率和阻尼比，y0為殼體的位移幅值，ω為殼體的振動角頻率，Ur為該振動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)振動位移的幅值，可求得壓電加速度計(jì)的幅頻特性表達(dá)式及其對應(yīng)曲線為：

可見彈性元件的結(jié)構(gòu)在不同頻率的外部激勵下會出現(xiàn)3種運(yùn)動狀態(tài)：當(dāng)激勵頻率遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)固有共振頻率時(shí)，整個系統(tǒng)剛度可控，外殼和內(nèi)部質(zhì)量塊一前一后地協(xié)同動作；隨著頻率增加，在系統(tǒng)共振頻率附近，內(nèi)部質(zhì)量塊的運(yùn)動嚴(yán)重偏離，出現(xiàn)數(shù)倍于激勵值的位移；頻率遠(yuǎn)高于系統(tǒng)共振頻率時(shí)，系統(tǒng)慣性鎖死，內(nèi)部質(zhì)量塊相對外部激勵而言將保持原地不動。

根據(jù)此結(jié)論可設(shè)計(jì)一種新型懸掛方案，即用剛性支柱代替加速度計(jì)內(nèi)部質(zhì)量塊，并將水聽器通過支柱與工作平臺相連。

2 新型矢量水聽器設(shè)計(jì)方案

具有中心固定結(jié)構(gòu)的矢量水聽器如圖4所示。水聽器外殼需滿足中性浮力，可采用壓電陶瓷材料，用以測量聲壓信息；柔性材料層使用柔順系數(shù)大的橡膠材料；內(nèi)殼采用密度較小的剛性金屬；內(nèi)殼通過4塊對稱的壓電陶瓷元件固定于中心支柱之上。

工作時(shí)，水聽器通過中心支柱安裝于工作平臺之上。在聲波激勵下，外殼便產(chǎn)生與聲質(zhì)點(diǎn)同幅同相的振動，同時(shí)柔性材料層將該振動傳遞給內(nèi)殼，并耦合到壓電元件上，壓電元件內(nèi)外表面便產(chǎn)生了比例于中性浮力外殼振動的電信號。同樣，此電信號也與周圍水質(zhì)點(diǎn)的振動成比例。

3 性能仿真與分析

系統(tǒng)動力學(xué)回路方程為

由此可求得振速通道壓電元件電壓輸出eoc與質(zhì)點(diǎn)振速vs的關(guān)系式為

式中， 分別為壓電元件的壓電系數(shù)、彈性系數(shù)（恒流狀態(tài)）及厚度。

對于該水聽器，其外殼、內(nèi)殼與柔性材料層組成的振動系統(tǒng)，具有與前述加速度計(jì)模型相同的共振特性，其共振頻率決定著水聽器工作頻率的下限ωl，此處由柔性材料層剛度、水聽器所排開水柱質(zhì)量及其共振質(zhì)量共同決定。壓電元件作為一種彈性材料，與內(nèi)殼耦合產(chǎn)生共振，決定了水聽器的工作頻率上限ωh。2個頻率限制條件如下所示：

在滿足中性浮力的基礎(chǔ)上，給定一組結(jié)構(gòu)參數(shù)（見表1），對壓電元件的開路電壓在全部工作頻段內(nèi)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到自由場聲壓靈敏度和相位特性曲線，如圖6所示。由圖可知，2個頻率限制條件決定水聽器穩(wěn)定工作的頻段范圍；電壓響應(yīng)相位角輸出與質(zhì)點(diǎn)振速保持180°的偏置，體現(xiàn)了該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的慣性特征。

將給定的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)代入（4）式計(jì)算水聽器振速靈敏度為

用分貝表示時(shí)，振速通道靈敏度為：

表 1 分析水聽器理論模型所用參數(shù)列表（mm）Tab. 1 The list of parameters used in the analysis of the theoretical model of hydrophone

仿真計(jì)算結(jié)果表明，該新型矢量水聽器在工作頻段內(nèi)（此處約1～30 kHz），振速通道等效電壓響應(yīng)約為–209 dB，幅度波動小于0.2 dB，其相位角約為180°，角度波動小于0.3°，可滿足水下聲場振速信息的測量要求。

4 結(jié) 語

本文通過研究壓電加速度計(jì)幅頻特性，獲得了一種新型懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，給出了采用該新型懸掛方案的矢量水聽器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對其性能進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明：1）中心固定式矢量水聽器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)聲場中聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速信息的直接測量；2）中心固定內(nèi)置式懸掛系統(tǒng)，可有效縮小水聽器外部體積，適合水下小尺寸平臺的安裝使用；3）在工作頻段內(nèi)（此處約1～30 kHz），水聽器振速通道等效電壓響應(yīng)約為–209 dB，幅度波動小于0.2 dB，其相位角約為180°，角度波動小于0.3°；

中心固定式矢量水聽器結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，可有效擴(kuò)展矢量水聽器的應(yīng)用空間并提高其性能與使用的方便性，對于增強(qiáng)水下平臺的聲探測能力有重要意義。但是由于懸掛系統(tǒng)的特殊性，使得水聽器工作頻率下限較高，不利于水下目標(biāo)的遠(yuǎn)程測量。一方面可進(jìn)一步研究改善水聽器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，另一種可行改善方法是構(gòu)建空間陣列式的矢量陣，通過設(shè)定接收單元的接收距離，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水下目標(biāo)的低頻探測[10]。

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Structure design and performance research of a new co-vibration vector hydrophone

XIE Pan, XU Xi
(No.91388 Unit of PLA, Zhanjiang 524022, China)

A new suspension system with central fixed is designed by studying the amplitude frequency characteristics of the piezoelectric accelerometer. The design scheme of the co- vibration vector hydrophone with the new suspension system is presented, and its performance is simulated. The results show that the central fixed vector hydrophone has compact structure and convenient installation, which is suitable for the installation of the underwater small size platform. It can accurately measure the sound pressure and particle velocity information in the working band.

vector hydrophone；suspension system；simulated analysis

TB565.1

A

1672 – 7649(2017)09 – 0148 – 03

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.029

2016 – 10 – 11；

2016 – 11 – 28

謝攀(1989 – )，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)樗掳袠?biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。