界面混響對柱形水聲換能器工作深度的影響分析*

王小寧 張國龍

(91388部隊93分隊 湛江 524022)

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界面混響對柱形水聲換能器工作深度的影響分析*

王小寧 張國龍

(91388部隊93分隊 湛江 524022)

柱形水聲換能器作為各類海洋水聲設備的關鍵部件得到廣泛應用。對于垂直指向性開角一定的柱形水聲換能器,當在淺水和接近海底條件下使用時,海面和海底的界面混響將對其信號接收檢測產生嚴重干擾,是決定其工作深度范圍的主要因素。文從界面混響理論入手,對柱形水聲換能器在淺水和接近海底條件下界面混響進行理論分析和仿真計算,定量分析對工作深度范圍的影響。

柱形水聲換能器; 界面混響

Class Number U666.7

1 引言

柱形水聲換能器憑借輻射面積大、對稱性好、結構簡單、機械品質因數低、徑向耐靜水壓性能好等優點[1],在水聲計量和軍用、民用各類海洋水聲設備中廣泛應用。對于具有一定垂直指向性、利用寬脈沖信號進行工作的收發共用的柱形水聲換能器,當其在接近海面或海底工作時,海面混響和海底混響是換能器接收目標回波信號的主要干擾[2],影響設備對目標信號的正常檢測,嚴重時會導致設備無法正常工作。因此,定量分析計算柱形水聲換能器在距離海面或海底不同深度工作時的混響強度,有利于為水聲設備選擇適合的工作深度范圍,確保正常工作,而且有利于柱形水聲換能器設計時指向性開角指標的確定。

本文對柱形水聲換能器在接近海面和海底工作時的海面混響和海底混響進行理論分析和仿真計算,定量評測界面混響對柱形水聲換能器工作深度的影響。

2 仿真模型

假設有某收發共用的柱形換能器,水平指向性開角為360°,垂直指向性開角為±30°。將換能器按圖1所示布放入水,其中心軸線與海面和海底垂直,海面、海底與換能器中心點距離為H、H′。

當該換能器發射一定頻率、一定源級,脈寬為600ms的脈沖信號后,聲波經過一定時間到達海面或海底,經海面、海底反射后沿原路返回,到達換能器并被接收。如圖1所示,假設不同路徑上介質對聲傳播的影響相同,則同一時刻聲波傳播到海面或海底并被反射時,反射點在海面和海底上為圓形分布。初時刻該圓上任一點到換能器聲學中心連線長度為R,與水平面夾角為θ,經過時間t后,反射點到換能器聲學中心連線長度為R′,與水平面夾角為Ф。對應的其在海面和海底上投影成兩個同心圓,半徑分別為r、r′,產生混響的區域投影就是兩圓形成的圓環[3～4]。

圖1 某柱形換能器在接近海面和海底工作時的混響模型

3 理論分析及數學模型

3.1 界面混響理論

對于理想指向性圖的換能器,其界面混響級公式如式(1):

RL=SL-2TLr+S+10logA

(1)

式中SL為發射信號聲源級,RL為混響級,TLr為混響的傳播損失,S為界面混響的散射強度,A為混響面積。由聲波的球面擴展損失公式TLr=20logr,帶入式(1)可得[5]:

RL=SL-40logr+S+10logA

(2)

式中r為聲波從換能器聲學中心傳播到海面某點的距離。

對于海面和海底其界面混響的散射強度S是不同的,下面將分別在這兩種情況下進行討論。

3.2 海面混響的散射強度和計算公式

在不考慮風速、頻率和海面粗糙度等因素影響和掠射角較小(一般小于60°)的情況下,可以使用Marsh、Schulkin和Kneale等對于粗糙表面上的返回聲源方向的散射強度公式[6～8]:

式中Ss為海面混響散射強度,θ為掠射角,g為重力加速度,A2(ω)為以圓頻率ω表示的海面起伏的“功率”譜。如果取A2(ω)=7.4×10-3g2ω-5,則可以導出以下公式:

Ss=-36+40logtanθ

(3)

由式(3)可以看出Ss一般隨入射聲束與散射界面之間的夾角θ(大小等于掠射角)而變,若換能器位于散射界面之上或之下一定距離,則在發射脈沖后,Ss隨距離或時間而變。

將式(3)帶入式(2)得到式(4):

RL=SL-40logr+(-36+40logtanθ)+10logA

(4)

3.3 海底混響的散射強度和計算公式

針對深水海底,當聲波掠射角小于45°時,Lambert定律是散射強度和角度之間符合得比較好的近似公式。Mackenzie根據大量實測數據得出在不同海域不同頻率下的Lambert定律關系式[9～10]為式(5):

SB=10logμ+10logsin2θ

(5)

式中10logμ根據Mackenzie等實驗數據曲線平均值約為-29dB。則式(5)可簡化為式(6):

SB=-29+10logsin2θ

(6)

將式(6)帶入式(2)得到式(7):

RL=SL-40logr+(-29+10logsin2θ)+10logA

(7)

4 仿真計算及結果分析

4.1 海面混響仿真計算及結果分析

對于仿真模型中柱形換能器布放深度H分別取3m、5m、10m和30m,根據式(2)和式(4)進行仿真計算。為了計算方便和圖形直觀顯示,先計算式(2)右邊后三項(-40logr+S+10logA),以-2TL+S+10logA表示,然后再計算混響級RL。仿真計算結果如圖2所示。

圖2 海面混響仿真結果

對于發射源級為185dB的脈沖信號,由圖2可知,當-2TL+S+10logA達到穩態時,可得到表1中的計算結果。

表1 海面混響計算結果

假設水聲設備的接收靈敏度為120dB,垂直指向性開角為±30°,那么在柱形換能器布放深度小于3m情況下發射并接收600ms脈沖信號時,由于海面混響級高于系統接收靈敏度,目標回波信號將淹沒在海面混響雜波中而無法正常檢測;對于布放深度5m的情況,雖然混響級低于系統接收靈敏度,但差距較小,在實際使用過程由于換能器本身指向性和海況等因素不是理想狀況,目標回波信號被正常檢測出的概率比較低。因此,從水聲設備可靠使用方面考慮,一般應規定柱形換能器工作深度大于10m。

4.2 海底混響仿真計算及結果分析

對于仿真模型中換能器聲學中心到海底的距離H′分別取3m、5m、10m和30m,根據式(2)和式(7)進行仿真計算,為了計算方便和圖形直觀顯示,先計算式(2)右邊后三項(-40logr+S+10logA),以-2TL+S+10logA表示,然后再計算混響級RL。仿真計算結果如圖3所示。

圖3 海底混響仿真結果

對于發射源級為185dB的脈沖信號,由圖3可知,當-2TL+S+10logA達到穩態時,根據計算數據可得到以下結果:

假設水聲設備的接收靈敏度為120dB,垂直指向性開角為±30°,那么在柱形換能器換能器聲學中心與海底距離小于30m情況下發射并接收600ms脈沖,由于海底混響級高于系統接收靈敏度,目標回波信號將淹沒在海底混響雜波中而無法正常檢測。因此,從水聲設備可靠使用方面考慮,一般應規定柱形換能器距離海底距離要大于30m。

表2 海底混響計算結果

5 結語

本文通過理論分析和案例仿真計算,定量分析了界面混響對柱形水聲換能器工作深度的影響,為類似水聲設備選擇適合的工作深度范圍提供了依據,同時也為具有垂直指向性開角的柱形水聲換能器的設計提供了參考。

[1] 劉孟庵,連立民.水聲工程[M].杭州:浙江科學技術出版社,2002:94-96.

[2] 李啟虎.聲吶信號處理引論[M].北京:海洋出版社,1985:113-119.

[3] 顧金海,葉學千.水聲學基礎[M].北京:國防工業出版社,1981:166-177.

[4] R.J.尤立克[美].水聲原理[M].北京:國防工業出版社,1972:197-238.

[5] Urick, R. J., R. M. Hoover. Backscattering of Sound from the Sea Surface: Its Measurement, Causes, and Application to the Prediction of Reverberation Levels[J]. J. Acount. Soc. Am.,1956,28:1038.

[6] Marsh, H. W. Exact Solution of Wave Scattering by Irregular Surface[J]. J. Acoust. Soc. Am.,1961,33:330.

[7] Marsh, H. W., M. Schulkin, S. G. Kneale. Scattering of Underwater Sound by the Sea Surface[J]. J. Acoust. Soc. Am.,1961,33:334.

[8] Marsh, H. W. Sound Reflection and Scattering from the Sea Surface[J]. J. Acoust. Soc. Am.,1963,35:240.

[9] Mackenzie, K. V. Bottom Reverberation for 530 and 1030 cps Sound in Deep Water[J]. J. Acoust. Soc. Am.,1961,33:1498.

[10] Schmidt, P. B. Monostatic and Bistatic Backscattering Measurements from the Deep OceanBottom[J]. J. Acoust. Soc. Am.,1971,50:327.

Impact Analysis of Interface Reverberation on Cylindrical Acoustic Transducer Working Depth

WANG Xiaoning ZHANG Guolong

(Unit 93, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

The cylindrical acoustic transducer is widely used in all kinds of underwater acoustic equipments as key components. The working depth range of cylindrical acoustic transducer is determined by the interference of interface reverberation receiving signal detection when it is used in shallow and near the bottom of the sea to the cylindrical acoustic transducer with a certain vertical open angle. In this paper, the interface reverberation to cylindrical acoustic transducer is simulated and the influence to the working depth range is quantitatively analyzed.

cylindrical acoustic transducer, interface reverberation

2015年4月7日,

2015年5月26日

王小寧,男,工程師,研究方向:水聲信號處理。

U666.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.042