用于水聲通信的矢量水聽器研究

王哲睿,王 燕

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.工業(yè)和信息化部，海洋信息獲取與安全工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工程大學(xué))，黑龍江 哈爾濱 150001；3.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

水聲通信技術(shù)利用聲波在水下可以遠(yuǎn)距離傳播的特點(diǎn)，通過(guò)聲信號(hào)在水下對(duì)信息進(jìn)行接收與發(fā)射[1-2]。水聲通信系統(tǒng)中，在發(fā)射端需要能夠?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)的發(fā)射換能器，在接收端需要能夠?qū)⒙曅盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的接收換能器，接收換能器的性能好壞在一定程度上影響著水聲通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。為了提高水聲通信系統(tǒng)獲取水下聲信號(hào)的能力，因此必須研究開發(fā)新的接收換能器。

水聲通信信號(hào)從發(fā)射到接收的過(guò)程中，水聲信道對(duì)信號(hào)的影響不可忽視。隨著頻率的升高，聲信號(hào)的能量在水中傳播衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致水聲信道的傳輸頻帶受限，同時(shí)水聲信道屬于不平整雙界面信道，由于界面反射會(huì)形成多途效應(yīng)，使接收端接收到的信號(hào)發(fā)生畸變而導(dǎo)致通信的誤碼，限制了水聲通信的發(fā)展[3-6]。目前大部分水聲通信系統(tǒng)都只使用單個(gè)傳統(tǒng)的聲壓水聽器或大尺寸的多重空間上分開的陣列聲吶系統(tǒng)去處理復(fù)雜多變的水下聲信道，而矢量水聽器能夠同步共點(diǎn)獲取水質(zhì)點(diǎn)的聲壓和振速信息，擴(kuò)展了信號(hào)處理的維度。利用矢量信號(hào)處理技術(shù)理論上可以獲得一定的空間增益[7-8]，進(jìn)而提高接收信號(hào)的信噪比，能夠有效地改善通信系統(tǒng)性能。雖然利用聲壓陣列作為接收端也能獲得一定的空間增益，但設(shè)備復(fù)雜，尺寸較大。單矢量水聽器與之相比，不僅降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，且便于工程實(shí)現(xiàn)[4]。本文針對(duì)頻率為8～13 kHz的水聲通信信號(hào)，設(shè)計(jì)并研制了一種同振型矢量水聽器，并完成矢量水聽器樣機(jī)的性能測(cè)試。

1 矢量水聽器的工作原理

本文設(shè)計(jì)的同振型矢量水聽器采用兩端帶球帽的圓柱形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖中,柱體的豎直方向?yàn)槭噶克犉鞯膠方向，與z方向垂直的平面定義為xOy平面。

x、y通道的接收可以通過(guò)自由運(yùn)動(dòng)圓柱體聲波接收理論進(jìn)行描述，圓柱體的運(yùn)動(dòng)速度Vs與該處水質(zhì)點(diǎn)的振速V0間的關(guān)系[9]：

(1)

z通道接收可以通過(guò)球體聲波接收理論來(lái)描述，球體的運(yùn)動(dòng)速度V2與該處水質(zhì)點(diǎn)的振速V1間的關(guān)系:

(2)

式中：ρ2為球體的平均密度；φ為V2與V1之間的相位差。

若聲學(xué)剛性運(yùn)動(dòng)體的幾何尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，即kr?1，則式(1)、(2)的幅值之比可分別簡(jiǎn)化為

柱體:

(3)

球體:

(4)

由式(3)、(4)可以看出，當(dāng)kr?1時(shí)，且剛性運(yùn)動(dòng)體的平均密度等于水介質(zhì)密度時(shí)，其振速Vs(或V2)的幅值與聲場(chǎng)中同一位置水質(zhì)點(diǎn)的振速幅值相同，聲場(chǎng)中剛性體中心處水質(zhì)點(diǎn)的振速信息可通過(guò)在剛性體中嵌入可拾取振動(dòng)信號(hào)的傳感器獲得。因此，這種橢球形的矢量水聽器符合同振型矢量水聽器的設(shè)計(jì)理論。

2 矢量水聽器的設(shè)計(jì)與制作

水聲通信信號(hào)的頻率一般都為高頻，本文針對(duì)頻率為8～13 kHz的通信信號(hào)獲取來(lái)設(shè)計(jì)矢量水聽器。根據(jù)式(3)、(4)可得，矢量水聽器的最大直徑2r≤38.5 mm。一般情況下，為了空間結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，需選取6只傳感器，這導(dǎo)致矢量水聽器體積過(guò)大，工作頻率上限得不到提高，所以必須專門設(shè)計(jì)矢量水聽器內(nèi)部的振動(dòng)傳感器。

由于水質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度也可用加速度(a(t)=dV(t)/dt)來(lái)描述，因此，本文設(shè)計(jì)了一種上限工作頻率為13.5 kHz的新結(jié)構(gòu)加速度傳感器作為矢量水聽器內(nèi)部的拾振單元，如圖2所示。圖2(a)中加速度傳感器為三維一體結(jié)構(gòu)，空間6個(gè)方向的傳感器共用1個(gè)慣性質(zhì)量塊，一體化后的傳感器體積變小。該三維加速度傳感器可構(gòu)成矢量水聽器x、y、z的3個(gè)正交通道，拾取水質(zhì)點(diǎn)加速度的3個(gè)正交分量分別為ax、ay和az。

圖2中，壓電元件采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT-5)圓管，其外徑為?10 mm,內(nèi)徑為?4 mm,高度為5 mm，單只壓電圓管的電容量C=190 pF。壓電陶瓷的彈性系數(shù)為

k=S·E/h

(5)

式中：h為壓電陶瓷的厚度；E為壓電陶瓷的彈性模量；S為壓電陶瓷圓管的橫截面積。

由式(5)計(jì)算可得k=15×108N/m。在實(shí)際情況中，k隨著預(yù)緊力的改變而發(fā)生變化。實(shí)際裝配加速度傳感器時(shí)應(yīng)參考該彈性系數(shù)來(lái)合理控制預(yù)緊力，裝配后的三維加速度傳感器如圖2(b)所示。

采用B&K公司的3629傳感器校準(zhǔn)測(cè)定系統(tǒng)(Transducer Calibration System Type 3629)對(duì)研制的加速度傳感器靈敏度進(jìn)行測(cè)試，得到x通道靈敏度為465.1 pC/g(g=9.8 m/s2)，y通道靈敏度為408.0 pC/g，z通道靈敏度為328.0 pC/g。每個(gè)通道由4只壓電圓管并聯(lián)組成，3個(gè)通道相應(yīng)的電壓靈敏度分別為612 mV/g、537 mV/g和313 mV/g。采用該三維加速度傳感器作為矢量水聽器的矢量通道，其聲壓靈敏度級(jí)為

(6)

式中：c=1 500 m/s為水中聲速；Ma為傳感器的電壓靈敏度。

由式(6)可得到矢量水聽器x、y、z通道在10 kHz處的聲壓靈敏度級(jí)分別為-171.26 dB、-172.4 dB和-177 dB(0 dB參考值1 V/μPa)。

采用尺寸為?30 mm×34 mm×20 mm的PZT-5壓電陶瓷圓環(huán)作為矢量水聽器的聲壓通道，經(jīng)過(guò)水密灌封后，得到的矢量水聽器樣機(jī)如圖3所示，其直徑為?38 mm，高為46 mm，平均密度為1.28 g/cm3。

3 矢量水聽器的性能測(cè)試

將研制的矢量水聽器柔性懸掛于框架中，如圖4所示。利用比較法在消聲水池中對(duì)研制的矢量水聽器的x、y、z通道及聲壓p通道的靈敏度與指向性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試框圖如圖5所示。選取5個(gè)頻點(diǎn)測(cè)量得到矢量水聽器各通道的聲壓靈敏度級(jí)如表1所示。

表1 矢量水聽器各通道的聲壓靈敏度級(jí)

在消聲水池中對(duì)矢量水聽器的x、y、z通道及聲壓p通道的指向性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖可以看出，3個(gè)矢量通道均具有良好的余弦指向性，p通道為全指向性。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)同振型矢量水聽器的工作原理，工作頻率越高，矢量水聽器的體積就越小，其設(shè)計(jì)制作的難度則越大。本文為水聲通信的高頻信號(hào)獲取設(shè)計(jì)了一種一體化結(jié)構(gòu)的新型三維加速度傳感器。利用該加速度傳感器作為矢量水聽器的內(nèi)部拾振單元，可使矢量水聽器在高頻段滿足小體積的要求。研制的矢量水聽器的測(cè)試結(jié)果表明，在10 kHz處,矢量水聽器的矢量通道聲壓靈敏度級(jí)可在-172 dB(0 dB參考值1 V/μPa)以上，聲壓通道靈敏度級(jí)達(dá)到-198 dB，可用于水下8～13 kHz通信信號(hào)的獲取。