王冬冬 侯 明 謝 攀

（1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 青島 266041）（2.中國人民解放軍91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

組合矢量水聽器能夠同時(shí)測量水下聲場標(biāo)量信息和矢量信息[1]，拓寬信號處理空間，提高低頻指向性與信號處理增益，受到水聲界的普遍重視[2～3]。文獻(xiàn)[4～5]設(shè)計(jì)并研究了一種可通過中心位置固定安裝的組合矢量水聽器，其結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方式合理，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，兼具實(shí)用意義與推廣價(jià)值。

為豐富中心固定組合矢量水聽器的結(jié)構(gòu)形式，拓展其應(yīng)用范圍，并考察固定中心支柱的懸掛安裝方式與傳統(tǒng)框體懸掛方式對質(zhì)點(diǎn)振速水聽器接收性能的影響，本文將根據(jù)中心固定組合矢量水聽器的結(jié)構(gòu)特性，通過變換壓電元件和柔性層的相對位置，給出一種結(jié)構(gòu)變化形式；通過分析振速通道的等效電路模型，獲得該結(jié)構(gòu)變化形式水聽器的電壓靈敏度表達(dá)式；對這兩種水聽器質(zhì)點(diǎn)振速的響應(yīng)性能做出比較分析，總結(jié)其異同。

2 結(jié)構(gòu)變化形式設(shè)計(jì)方案

2.1 結(jié)構(gòu)與原理

圖1所示為中心固定組合矢量水聽器的一種結(jié)構(gòu)變化形式。工作時(shí)，聲波通過刺激壓電圓環(huán)，使其產(chǎn)生與水質(zhì)點(diǎn)相同的運(yùn)動，以此獲得聲壓信息。同時(shí)，該振動傳遞到與其相連的壓電元件之上，使得壓電元件產(chǎn)生的振動與壓電圓環(huán)的振動相同，同時(shí)該振動也與外部水質(zhì)點(diǎn)相同，以此測量質(zhì)點(diǎn)振速信息。在此過程中，壓電圓環(huán)與壓電元件的運(yùn)動通過內(nèi)殼傳遞給柔性層，并在柔性層中產(chǎn)生彈性力，以此保證壓電圓環(huán)、壓電元件和內(nèi)殼的振動與水質(zhì)點(diǎn)振動相同。

圖1 組合矢量水聽器結(jié)構(gòu)變化示意圖

2.2 接收響應(yīng)分析

本文所設(shè)計(jì)研究的組合矢量水聽器，其聲壓水聽器靈敏度的計(jì)算方法與普通壓電圓管水聽器無異[6～7]，不做贅述。

針對該組合矢量水聽器振速通道接收靈敏度，此處通過等效電路法進(jìn)行研究。圖2為振速水聽器一維通道的簡化模型如。Fs≈jω(ms+mi)vs，表示聲波對振速水聽器的作用力[8]；my、mn、ms和mi分別表示壓電圓管、內(nèi)殼、水聽器排開水柱和共振的質(zhì)量；vs、vy和vn分別表示水質(zhì)點(diǎn)、壓電圓管和內(nèi)殼的振速；Rp、kp、R和k分別表示壓電元件和柔性材料層的阻尼和剛度。壓電元件（3-3極化模式）的機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)為

圖2 一維通道簡化模型

圖3所示為一維振速通道的等效電路模型，對應(yīng)的動力學(xué)回路方程為[9～10]

可求得該水聽器振速通道電壓響應(yīng)表達(dá)式為

圖3 等效電路模型

3 接收響應(yīng)對比分析

通過上述分析可知，該結(jié)構(gòu)變化形式組合矢量水聽器結(jié)構(gòu)及接收性能與中心固定組合矢量水聽器存在差異。

1）結(jié)構(gòu)及所測物理量

聲波激勵中心固定組合矢量水聽器的外殼產(chǎn)生振動，并通過柔性材料層的傳遞，使得內(nèi)殼及壓電元件產(chǎn)生與水質(zhì)點(diǎn)相同的振動，因此，壓電元件在此激勵下產(chǎn)生的電信號正比于質(zhì)點(diǎn)振速，從而獲得質(zhì)點(diǎn)振速信息。其測量本質(zhì)是內(nèi)殼的絕對運(yùn)動。而結(jié)構(gòu)變化式組合矢量水聽器工作時(shí)，聲波是作用于“敏感質(zhì)量塊”（即壓電圓環(huán)）上，實(shí)際測量的是“殼體”與“敏感質(zhì)量塊”的相對運(yùn)動。

2）柔性元件

柔性元件和壓電元件的組合方式發(fā)生改變，中心固定組合矢量水聽器的結(jié)構(gòu)與接收性能也將發(fā)生改變。根據(jù)中心固定結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)變化式水聽器這兩種水聽器的等效電路模型可知，柔性材料層和壓電元件的連接方式為并聯(lián)，因此水聽器對質(zhì)點(diǎn)振速的接收響應(yīng)受到柔性材料層及壓電元件參數(shù)的影響。

3）接收靈敏度

比較質(zhì)點(diǎn)振速響應(yīng)表達(dá)式可知，在工作頻帶內(nèi)，結(jié)構(gòu)變化式水聽器的接收靈敏度隨著入射頻率升高而降低，適合低頻工作；中心固定組合矢量水聽器對質(zhì)點(diǎn)振速的接收靈敏度與頻率無關(guān)。此外，對于中心固定結(jié)構(gòu)水聽器及其結(jié)構(gòu)變化式水聽器，可通過調(diào)整壓電材料而改變振速靈敏度，而傳統(tǒng)的外置框體懸掛式水聽器，其壓電材料一旦確定后，接收靈敏度即被確定。

4 結(jié)語

本文給出了中心固定組合矢量水聽器的一種結(jié)構(gòu)變化形式，并研究了該變化形式水聽器的接收特性；從結(jié)構(gòu)及所測物理量、柔性元件和接收靈敏度三個(gè)方面分析了中心固定式及其結(jié)構(gòu)變化形式矢量水聽器的異同。研究表明：結(jié)構(gòu)變化形式水聽器具有與中心固定組合矢量水聽器相同的尺寸優(yōu)勢與安裝優(yōu)勢，且其工作頻率低，這豐富了中心固定組合矢量水聽器的結(jié)構(gòu)形式，調(diào)整了其工作頻率范圍，使得其擁有更廣泛的應(yīng)用范圍。