一種基于共振腔的新型水聽器探究

李 健，王 欣，陳世利,黃新敬

(天津大學 精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津 300072)

0 引言

水聽器可以在水下將聲信號有效地轉化成電信號，通過處理電信號實現對聲信號的應用，達到水下目標探測或水下信息提取的目的[1-3]。大多數水聽器工作在共振頻率的頻段，頻率響應平坦，可以接收寬頻信號或用于標準水聲計量。而一些探測和通訊用的水聽器則工作在共振頻率處，以便在特定頻率有盡可能高的靈敏度，而在其他頻率處靈敏度較低，以抑制環境噪聲的干擾。

實驗證明，在非共振范圍內水聽器靈敏度要遠低于共振頻率周圍的靈敏度[4]，且略微依賴于頻率[5]。國內外學者已開展了很多利用共振現象來提高水聽器靈敏度的研究。Lotsberg利用共振頻率附近的水聽器來研究充氣氣泡的非線性發射[6]。Medeiros 利用壓電陶瓷在其共振頻率下做超聲成像，與其他頻率相比，其靈敏度更高，成像更清晰[7]。王偉研究了具有兩個共振頻率的磁電復合材料壓電陶瓷(PZT)環，提高了靈敏度和共振位移的分辨率[8]。楊曾濤等研制了新的1-3復合型壓電水聽器，研究了壓電水聽器的動態模型和頻率響應，利用共振頻率來提高對弱信號的靈敏度[9]。李世平等通過亥姆霍茲(Helmholtz)共振原理，利用液腔結構，可以有選擇性地提高液腔結構附近的靈敏度，更適用于窄帶應用[10]。Sadeghpour將兩個半球殼壓電陶瓷拼接制成球形，利用其一階共振模態發射和接收超聲波進行水下通信，其共振頻率與球殼厚度有直接關系[11]。

上述共振型水聽器都是利用壓電陶瓷敏感元件本身的共振，其共振頻率與殼體尺寸和材料屬性有密切關系。此外，還有一些共振型水聽器是利用殼體內部的液體腔的共振，如工作在中低頻的Helmholtz共振腔水聽器，共振頻率與內部液體腔體的形狀和尺寸有關[12-14]，傳統水聽器被放置在液體腔中。

本文提出了一種新型的共振空腔型水聽器，與上述共振型水聽器不同，利用球形封閉腔內部的空氣腔共振，采用麥克風來感知從球外水域透射到空氣腔內的聲壓。該水聽器利用共振效應，在共振頻率附近靈敏度和信噪比高。與其他傳統水聽器相比，其成本低，制作簡單，可用于水下通信，水聲引信、水下測距等。

1 工作原理

設計的水聽器結構為內部中空的球形，球殼內部置入麥克風來測量從外部水域投射進來的聲音。整體水聽器模型如圖1所示。圖中，R1為球中空部分半徑，T為球殼厚度。

圖1 水聽器模型

在二維軸對稱頻域仿真中，幾何模型和仿真設置如圖2所示。在聲固耦合物理場內進行頻率掃描，頻率為1～40 kHz，步長為200 Hz。選取空氣腔內部M點繪制頻率響應曲線。

圖2 二維軸對稱仿真模型

圖3為R1=8 mm，T=0.8 mm的水聽器仿真得到的頻率響應曲線。由圖可知，水聽器在14 200 Hz、22 800 Hz、30 800 Hz處出現特征峰。由于水聽器可能是在球殼和球殼內部空氣腔兩個部分發生共振。因此，為了合理設計水聽器的工作頻率和結構尺寸，通過有限元仿真確定水聽器的共振頻率來源于球殼還是球內空氣腔。

圖3 頻率響應曲線

對T=0.8 mm的球殼在固體力學物理場進行特征頻率的仿真；對R1=8 mm的空氣腔使用圖1所示模型在壓力聲學物理場進行特征頻率的仿真。分別將兩者仿真得到的特征頻率與頻率響應曲線的特征峰做對比，如表1所示。

表1 特征頻率對比

由表1可知，頻率響應特征峰與空氣腔特征頻率接近，與球殼特征頻率有較大偏差。圖4、5分別為掃頻獲得的特征頻率處的聲場分布及模態分析獲得的空氣腔在特征頻率的聲場分布。由圖4、5可知，二者的聲場分布基本相同。因此，該水聽器的共振頻率只與空氣腔有關，與球殼振動無關。

圖4 二維軸對稱仿真特征峰聲場分布

圖5 空氣腔仿真特征頻率模態

為了進一步驗證水聽器共振頻率與球殼無關，在不改變水聽器空氣腔半徑的情況下，改變球殼厚度，得到在不同球殼厚度下球內空氣腔的頻率響應曲線，如圖6所示。球殼厚度的改變使球殼因剛度改變，其共振頻率必然改變，但球內空氣腔的共振頻率未改變。因此，該水聽器的工作頻率只與球內空氣腔的尺寸有關。

圖6 不同厚度下特征頻率仿真

得出此結論后對其他尺寸水聽器進行有限元仿真來證明其規律的普遍性。有限元仿真分別計算了R1=5 mm、16 mm的水聽器。仿真得到的頻率響應曲線如圖7、8所示，分別將掃頻曲線特征峰處的聲場與空氣腔特征頻率的聲場相比，如圖9～12所示。由圖可知，頻率響應特征峰與空氣腔特征頻率接近，對應的聲場分布幾乎相同，水聽器共振頻率只與空氣腔特征頻率有關，與R1=8 mm水聽器仿真結論相同。

圖7 R1=5 mm水聽器頻率響應曲線

圖8 R1=16 mm水聽器頻率響應曲線

圖9 R1=5 mm二維軸對稱仿真特征峰聲場分布

圖10 R1=5 mm空氣腔仿真特征頻率模態

圖11 R1=16 mm二維軸對稱仿真特征峰聲場分布

圖12 R1=16 mm空氣腔仿真特征頻率模態

在得到水聽器共振頻率只與空氣腔有關的結論后，保持T不變，利用仿真參數化掃描功能改變R1，探究球內部空氣腔與水聽器一階共振頻率的關系，結果如圖13所示。有限元仿真表明，隨著R1變大，球的一階共振頻率顯著下降，二者互為倒數。

圖13 特征頻率與空氣腔半徑的關系

2 傳感器制作

本設計中使用的微型水聽器是將麥克風芯片電路封裝在一個空心球殼中。空心球殼使用 3D 打印的方式加工，方便快捷，成本較低，打印材料為光敏樹脂，透聲性良好。麥克風芯片被固定在球內，信號引腳通過長導線從小球上的孔中伸出來。仿真時可發現球內聲場不均勻，因此，制作小球時，麥克風需準確固定在小球球體的正中心位置，圖14為水聽器制作與實物圖。

圖14 水聽器制作與實物

3 實驗驗證

3.1 頻率響應實驗

上位機通過NI數據采集卡發射5～40 kHz激勵信號，經過功率放大器放大后，輸入到換能器中發射。將制作好的水聽器放置在水缸中心處，通過采集卡采集水聽器的輸出信號，傳入電腦進行后處理，得到頻率響應曲線。圖15為實驗裝置圖。

圖15 實驗裝置

圖16 實驗測量頻率響應

由于用于聲源發射的換能器和球內接收信號的麥克風的頻率響應不平坦，因此需要進行歸一化處理，消除換能器與麥克風對水聽器頻率響應的影響后得到實際頻率響應曲線。圖16、17分別為實測水聽器頻率響應曲線及其局部曲線圖，其測量得到的特征峰頻率為14 300 Hz、22 600 Hz、30 800 Hz，與表1的仿真結果接近。

圖17 實驗測量頻率響應局部

3.2 靈敏度與信噪比

測量靈敏度時，聲源發射頻率根據水聽器的頻率響應曲線選擇。實驗選取了水聽器接收信號最大時的頻率(30.8 kHz)。將標準水聽器與所設計的水聽器放在一起，進行不同聲壓的靈敏度測試，以前者為參照計算得到共振腔水聽器的靈敏度。其中，在前置放大倍數為30 dB時,標準水聽器TC4013的靈敏度為0.84 mV/Pa(通過其數據手冊獲得)。在實驗室內不同的聲源激勵峰值電壓下(10～400 V)，共振腔水聽器的靈敏度為8.03～8.62 mV/Pa(見圖18)，較穩定。測試結果表明,共振腔水聽器靈敏度約為標準水聽器靈敏度的10倍，且在信號較小時靈敏度更大，這有利于微小信號的測量。

圖18 靈敏度

在有限元仿真中，分別采用光敏樹脂、鋁合金和不銹鋼作為球殼材料，測量球內同一位置的聲壓，在30.8 kHz下，聲壓分別為0.886 00 Pa、0.084 103 Pa和0.028 700 Pa，表明光敏樹脂材料球殼水聽器的靈敏度是鋁合金材料球殼水聽器的10.5倍，是不銹鋼材料球殼水聽器的30.8倍。不銹鋼和鋁合金透聲性差，靈敏度較低，但硬度高，在水中更耐壓，而光敏樹脂透聲性好，用它做球殼材料的水聽器靈敏度高，但硬度較低。在使用中可根據實際應用選擇球殼材料。

聲源發射信號后，用共振腔水聽器和標準水聽器同時接收信號來比較兩者的信噪比。隨著換能器的激勵電壓變大，發射信號變大，信噪比提高(見圖19)。在信號較小時，共振腔水聽器和標準水聽器的信噪比均較小。整體來看，共振腔水聽器與標準水聽器的信噪比差距很小，共振腔水聽器的信噪比比標準水聽器信噪比高5 dB。

圖19 信噪比曲線圖

3.3 時域響應

為了獲得水聽器的時域響應，使用換能器發射超聲調制脈沖信號，采用的信號公式為(1-cos(2×pi×f/n×t))×sin(2×pi×f×t)×(t12，這是因為聲音在水缸內被水缸壁多次反射的結果。

圖20 時域信號

圖21 時域信號局部

4 結束語

本文利用共振空氣腔結構設計了一種新型的低成本、高靈敏度水聽器。通過有限元分析，證明該水聽器共振頻率只與空氣腔有關、與殼體無關，并實驗證明了上述分析的正確性。實驗表明，共振空氣腔結構的水聽器在其頻率響應的特征峰處可有更高的靈敏度和信噪比。優良的頻率選擇和放大作用使其特別適用于水聲通信、水下測距、水下探測等窄帶應用場合。通過調整空氣腔尺寸可以靈活和準確地調節水聽器的共振頻率，以滿足不同的工作頻率需求。