中頻同振柱型矢量水聽器及其支撐結構設計

劉爽，藍宇，李琪

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中頻同振柱型矢量水聽器及其支撐結構設計

劉爽1,2，藍宇1,2，李琪1,2

(1. 哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001；2. 哈爾濱工程大學水聲工程學院，黑龍江哈爾濱 150001)

針對同振型矢量水聽器后期懸掛金屬彈簧或橡膠繩給使用者帶來不便的問題，提出一種中頻同振柱型矢量水聽器及其支撐結構的設計方案。通過矢量水聽器振動系統對其聲學特性進行分析，通過ANSYS有限元軟件，利用Mooney-Rivlin理論對圓環形橡膠彈簧在壓縮情況下的水平剪切剛度進行仿真計算，分析了Rivlin參數對橡膠彈簧剪切剛度的影響，并研制出矢量水聽器樣機。在1000~4000 Hz頻率范圍內，對矢量水聽器進行了測試，并給出了測試結果。在1 kHz時，聲壓靈敏度為-195 dB，指向性凹點深度大于20 dB。測試結果表明，此種設計免除了反復懸掛金屬彈簧或橡膠繩帶來的負面效應。

矢量水聽器；支撐結構；Mooney-Rivlin模型；剪切剛度

0 引言

目前應用的矢量水聽器，主要基于兩種不同傳感原理。一種是基于雙聲壓水聽器進行差分輸出的聲壓梯度水聽器，一種是基于慣性傳感器的同振型矢量水聽器[1]。前者由于其原理限制，通常頻帶較窄，靈敏度不高。后者由于性能較為穩定，靈敏度較高，已在水上航道、港口安全警戒系統、水下噪聲源定位、水聲通訊及地聲反演領域得到了有效應用[2-4]。通常研究人員最為關注的是矢量水聽器的靈敏度和指向性指標。靈敏度主要取決于水聽器內部的敏感元件性能，而指向性不但與敏感元件有關，同時取決于水聽器支撐結構設計的優劣。目前使用最多的是橡膠繩和金屬彈簧。橡膠繩在水下斷裂的風險明顯大于金屬彈簧，而金屬彈簧的扭力所產生的不均勻性又易對矢量水聽器的指向性產生負面影響，也給應用者帶來很大不便。

針對同振型矢量水聽器的支撐結構，國外研究人員早已展開相關工作。一個為帶有彈性透聲包裹橡膠層的同振球型矢量水聽器，其設計工作頻率為100~2000 Hz[5]。另一個為一種雙層結構的同振柱型矢量水聽器。其將彈性膠層放置在傳感器內部，并將矢量水聽器的安裝基座延伸到外面。研究人員稱其最大上限頻率可達20 kHz[6]。不過兩種水聽器都沒有給出測試結果，且工藝都較為復雜。國內近年來也開展了相關工作。本文作者曾研制出了一種可剛性固定的同振圓柱型矢量水聽器[7]。其帶寬為500~2500 Hz。不過由于其結構設計的方式，很難進一步提升上限頻率。

針對此種問題，本文提出了一種中頻同振柱型矢量水聽器，其中利用圓環型橡膠彈簧作為彈性元件，結合外部金屬框架，以減小尺寸，達到提高上限頻率的目的，且水下可靠性有所提高，免除了使用橡膠繩或金屬彈簧作為懸掛件時所帶來的不便。

1 基本理論

圖1給出了矢量水聽器及其支撐結構圖。圖中1為安裝定位桿，2為水聽器不銹鋼支撐架(高度13 cm，寬度11 cm)，3為圓環型橡膠彈簧，4為同振柱型矢量水聽器(直徑5 cm，高7 cm)，5為矢量水聽器內部的壓電加速度傳感器(直徑1.7 cm，高1.6 cm)。支撐結構利用了圓環型橡膠彈簧的剪切剛度。通過圖1可以容易得到矢量水聽器的系統振動圖，如圖2所示。

圖2中/2和/2為單個圓環型橡膠彈簧的水平剪切剛度和阻尼系數。和為壓電加速度傳感器內部敏感材料的剛度和阻尼系數。和分別為矢量水聽器質量和壓電加速度計內部質量塊質量。當聲波作用到水聽器時，橡膠彈簧做水平剪切運動。

文獻[7]推導了帶懸掛系統的以加速度傳感器為敏感元件的同振柱型矢量水聽器的水下聲壓靈敏度表達式：

為了看出諧振頻率對工作帶寬的影響，圖3計算了矢量水聽器在水中的不同諧振頻率的頻響曲線，其中假定，且聲壓靈敏度級是以1 kHz時的靈敏度為參考值的分貝值。

從圖3中可以看出，懸掛系統主要對水聽器的下限工作頻率產生影響，下面著重對橡膠彈簧的剪切剛度進行計算。

2 橡膠彈簧壓縮下的剪切剛度

2.1 Mooney-Rivlin模型

在實際應用中，橡膠材料在變形中體積變化甚微，實際上可以看成為各向同性且不可壓縮材料。其應變能函數可以看成主不變量的函數[8]

(3)

該模型在較小變形情況下可以對橡膠材料的性能進行較好的模擬分析。

2.2 橡膠彈簧剪切剛度有限元分析

在無預應力條件下的圓環型橡膠彈簧的剪切剛度計算公式為[9]

要獲得真實的Rivlin參數值，通常要進行繁瑣的測試或曲線擬合[10]。為了獲得較為通用的材料參數對橡膠彈簧剪切剛度的影響，這里通過對不同參數的設定來計算Rivlin參數對剪切剛度影響。

為了方便施加壓力，實際建模中將橡膠彈簧與鋼板進行連接，通過對鋼板的加載實現對橡膠彈簧壓力與剪切力的聯合加載，如圖4所示。圖4中，上面為鋼板，下面為橡膠彈簧。

在計算中采用分部計算方式，即首先施加壓力，然后施加剪切力。在計算中采用位移施加并提取支反力的方式獲得橡膠彈簧在有初始壓力條件下的剪切剛度。

表1給出了在不同壓力情況下Rivlin參數對橡膠彈簧的剪切剛度的影響。其中壓力單位為MPa，

表1 不同壓力下Rivlin參數對剪切剛度影響

在有預應壓力的情況下，Rivlin參數對橡膠彈簧的剪切剛度有一定的影響。當為0時，圓環形橡膠彈簧的剪切剛度隨壓力增大而減小。當不為0時圓環形橡膠彈簧的剪切剛度隨著壓力的增大是先增大后變小的。且隨著比例的增大，剪切剛度的增大趨勢越為明顯，但與無預應力時的剪切剛度相比變化百分比不大。對于水聽器下限諧振頻率來說，影響較小。因此在實際估算矢量水聽器的下限頻率時，可以不必精確測量橡膠Rivlin參數，只需要知道橡膠材料的剪切模量就可以較為準確地得到水聽器的下限頻率。針對本論文中的計算結果，如矢量水聽器的平均密度為1000 kg/m3，剪切剛度為384.6 N/mm，可得出水聽器在水中的下限諧振頻率約為266 Hz。通常取水聽器的下限工作頻率大于下限諧振頻率的3倍，以避免諧振頻率對工作特性產生影響。

圖5給出了圓環形剪切彈簧在初始恒壓力下，隨剪切力的變形圖。

對于橡膠材料的剪切模量可利用式(6)得到[9]：

式中，為橡膠材料的硬度。值得說明的是式(6)與(4)具有一定內在聯系，通過橡膠的硬度可以直接計算出Rivlin參數與的和值，然而不能確定與的確切值。

3 水聽器的測試

在哈爾濱工程大學海洋環境模擬實驗室低頻水池進行了水聽器測試。利用脈沖波技術，通過比較法進行靈敏度的測試。圖6和圖7給出了部分測試結果。圖8給出了矢量水聽器的實物圖。

從測試結果來看，水聽器在1 kHz與4 kHz的靈敏度差值約為15 dB，與理論值12 dB有一定的誤差，且在1630 Hz與理論值也有1.5 dB的差距。造成的原因除了水聲測量通常帶來的1~2 dB的誤差外，也與裝配水聽器和支撐結構時的工藝具有一定的關系，對靈敏度的起伏產生了一定影響。另外通過對橡膠彈簧的剪切剛度的計算，取1 kHz的下限工作頻率也是適宜的。

4 結論

本文對一種中頻同振柱型矢量水聽器及其支撐結構進行了結構設計。計算了諧振頻率對水聽器工作帶寬的影響。通過仿真，完善了在不同壓力下Rivlin參數對于給定橡膠彈簧水平剪切剛度的影響。并最終研制出水聽器實物。測試結果表明，此種結構可以提高固定安裝式矢量水聽器的上限工作頻率，免除了使用橡膠繩或金屬彈簧作為懸掛件帶來的不便。不過仍需在水聽器與支撐結構安裝工藝和新型支撐結構設計方面展開進一步研究，以使水聽器能在較寬的工作頻帶內進行工作，并保證靈敏度曲線在合理范圍內的起伏。

[1] 孫貴青, 李啟虎. 聲矢量傳感器研究進展[J]. 聲學學報, 2004，29(6): 481-490.

SUN Guiqing, LI Qihu. Progress of study on acoustic vector sensor[J]. Acta Acustic, 2004, 29(6): 481-490.

[2] 賈志富. 全面感知水聲信息的新傳感器技術——矢量水聽器及其應用[J]. 物理, 2009, 38(3): 157-168.

JIA Zhifu. Novel sensor technology for comprehensive underwater acoustic information-vector hydrophones and their application[J]. WuLi, 2009, 38(3): 157-168

[3] 彭漢書, 李風華. 由矢量水聽器陣反演淺海地聲參數[J]. 聲學技術, 2008, 28(4): 163-167.

PENG Hanshu, LI Fenghua. Geoacoustic inversion from vector hydrophone array in shallow water[J]. Technical Acoustics, 2008, 28(4): 163-167.

[4] 陳川, 王大宇. 矢量水聽器在水聲通信系統中的應用[J]. 聲學技術, 2012, 31(4): 375-380.

CHEN Chuan, WANG Dayu. The application of vector hydrophone in underwater communication system[J]. Technical Acoustics, 2012, 31(4): 375-380.

[5] Cray B A. Acoustic vector sensor: America, 6370084[P]. 2002-04-09.

[6] Naluai N K. Acoustic intensity methods and their applica- tions to vector sensor use and design[D]. Pennsylvania: The Pennsylvania state University, 2006: 133-154.

[7] 劉爽. 可剛性固定的同振圓柱型矢量水聽器的設計[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2014, 35(12): 1467-1472.

LIU Shuang. Design of rigidly mounted co-oscillating cylinder vector hydrophone[J]. Joural of Harbin Engineering University, 2014, 35(12): 1467-1472.

[8] 李忱. 超彈性體非線性本構理論[M]. 北京: 國防工業出版社, 2006: 1-3.

LI Chen. The nonlinear constitutive theory ofhyperelastic body[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2006: 1-3.

[9] 張英會. 彈簧手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 2006: 439-442.

ZHANG Yinghui. Manual of spring[M]. Beijing: China Machine Press, 2006: 439-442.

[10] Gent A N. Engineer with rubber-how to design rubber components[M]. Cincinnati: Hanser Publisher, 2000: 259-275.

Design of medium frequency co-oscillating cylinder vector hydrophone and its support structure

LIU Shuang1,2, LAN Yu1,2, LI Qi1,2

(1. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang, China;2. College of underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang, China)

Due to the inconvenience for users caused by the co-oscillating vector hydrophone using metal spring or rubber cords suspension, a design scheme of medium frequency co-oscillating cylinder vector hydrophone and its supporting structure is proposed. With the vibration system of acoustic vector hydrophone, the acoustic characteristics are analyzed. Using the finite element softwareANSYS and the theory of Mooney-Rivlin, the horizontal shear stiffness of circular rubber spring is analyzed in the case of compression. The influence of Rivlin parameter on the horizontal shear stiffness of circular rubber spring is analyzed, and the acoustic vector hydrophone is developed. In 1000~4000Hz frequency range, the hydrophone is measured, and the result is: the sound pressure sensitivity level is -195dB at 1 kHz and the ration of the maximum to the minimum in the directivity pattern is greater than 20dB. The measurement results show that the design method could reduce the negative influence of repeatedly suspending metal springs or rubber cords.

vector hydrophone; support structure; Mooney-Rivlin model;shear stiffness

TB565.1

A

1000-3630(2016)-01-0078-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.017

2015-04-03;

2015-07-09

水聲技術重點實驗室基金資助項目(200901)

劉爽(1982－), 男, 黑龍江哈爾濱人, 博士研究生, 講師, 研究方向聲學傳感器。

藍宇, E-mail: lanyu@hrbeu.edu.cn