一種接收換能器指向性凹陷方法

高 立，施光韓，朱大非，胡友峰

(中國船舶集團公司 第七〇五研究所昆明分部，云南 昆明 650118)

0 引 言

隨著水聲對抗技術的不斷發展，為了滿足實戰對抗需求，對于聲靶、聲誘餌及目標模擬器等水聲對抗器材的擬真度性能都提出了更高要求。采用實收實發技術可以有效提高水聲對抗器材的對抗能力，提高擬真度。實收實發技術是指在聲學系統發射回波信號的同時接收主動探測信號，另外某些聲學系統在此基礎上同時一直發射模擬噪聲[1]。實現此技術的難點在于如何減小聲學系統發射端對于接收端的干擾，即如何增大聲學系統發射端和接收端的聲隔離度[2]。聲隔離度主要由以下4 個方面共同綜合產生： 1） 空間距離衰減；2）殼體障板特性隔離；3） 接收和發射換能器指向性隔離；4）干擾抵消信號處理算法[3]。

基于實現指向性隔離的目的，本文提出一種使接收換能器在指定方向形成指向性凹陷的方法。

1 原 理

從20 世紀50 年代開始，關于球型結構的新型換能器即被研究用以獲得全指向性的發射或接收響應[4–6]。至今全指向性球形換能器依然在各類聲學系統中被廣泛使用。

本文將以常見的全指向性球形接收換能器為例，在換能器表面黏貼吸聲材料（橡膠）和反聲材料（泡沫），通過吸聲、反聲材料減小換能器在指定方向接收到的聲波，從而形成該方向指向性的凹陷，最后通過指向性測量裝置測試該方法對接收換能器指向性的影響。

接收換能器指向性測量的試驗裝置如圖1 所示。選用穩定的發射換能器作為聲源，建立輻射聲場，保持輻射聲場恒定不變，旋轉待測換能器，記錄其不同方向上的輸出電壓幅值，得到接收指向性圖。

圖1 接收換能器指向性測量試驗裝置Fig. 1 Receiving transducer directivity measurement test device

2 試驗結果

2.1 黏貼吸聲橡膠

在直徑10 cm 的全指向性球形接收換能器表面黏貼寬度約2 cm 的吸聲橡膠條，分別測試其在21 kHz和30 kHz 頻率的接收指向性結果，如圖2 和圖3 所示。

圖2 換能器黏貼效果示意圖Fig. 2 Schematic diagram of transducer sticking effect

圖3 接收指向性Fig. 3 Receive directivity

可以看出，在換能器黏貼吸聲橡膠的一面（指向性圖0°附近，下文將該面統稱正面），接收指向性出現了-10 dB 的明顯凹陷，越接近吸聲橡膠中心處凹陷越明顯，且凹陷中心處有一凸起。另外也可觀察到，在黏貼吸聲橡膠處的背面（指向性圖180°附近，下文將該面統稱背面），一定開角范圍內的指向性也出現了不同程度的凹陷。同時21 kHz 的指向性圖相比30 kHz的指向性圖更加圓潤，這是由換能器的頻響特性差異導致。

2.2 黏貼反聲泡沫

在直徑10 cm 的全指向性球形接收換能器表面黏貼寬度約2 cm 的反聲泡沫條，分別測試其在21 kHz、30 kHz 頻率的接收指向性結果，如圖4 和圖5 所示。

圖4 換能器黏貼效果示意圖Fig. 4 Schematic diagram of transducer sticking effect

可以看出，正面（指向性圖340°附近）接收指向性出現了接近-10 dB 的明顯凹陷，越接近吸聲橡膠中心處凹陷越明顯。與之前的試驗結果相似，背面（指向性圖160°附近）一定開角范圍內的指向性也出現了不同程度的凹陷，同時21 kHz 的指向性圖相比30 kHz的指向性圖更加圓潤。

對比可知，黏貼反聲泡沫相比黏貼吸聲橡膠，其指向性凹陷前者不如后者尖銳，但在正面凹陷處，后者沒有前者的明顯凸起。

2.3 黏貼吸聲橡膠并在其一側黏貼反聲泡沫

在直徑10 cm 的全指向性球形接收換能器表面黏貼寬度約2 cm 的吸聲橡膠條并在其一側黏貼寬度約1 cm 反聲泡沫條，分別測試其在21 kHz 和30 kHz 頻率的接收指向性結果，如圖6 和圖7 所示。

圖6 換能器黏貼效果示意圖Fig. 6 Schematic diagram of transducer sticking effect

圖7 接收指向性Fig. 7 Receive directivity

可以看出，正面（指向性圖340°附近）接收指向性出現了接近-15 dB 的凹陷，且凹陷呈現不對稱性，黏貼反聲泡沫的一側（指向性圖350°附近）凹陷更突出。與之前的試驗結果相似，背面（指向性圖160°附近）一定開角范圍內的指向性也出現了不同程度的凹陷，同時21 kHz 的指向性圖相比30 kHz的指向性圖更加圓潤。

對比可知，正面指向性凹陷更為明顯，凹陷中心無明顯凸起，同時背面指向性凹陷相對更為平滑。

2.4 黏貼吸聲橡膠并在其兩側黏貼反聲泡沫

在直徑10 cm 的全指向性球形接收換能器表面黏貼寬度約2 cm 的吸聲橡膠條并在其兩側都黏貼寬度約1 cm 反聲泡沫條，分別測試其在21 kHz 和30 kHz 頻率的接收指向性結果，如圖8 和圖9 所示。

圖8 換能器黏貼效果示意圖Fig. 8 Schematic diagram of transducer sticking effect

圖9 接收指向性Fig. 9 Receive directivity

可以看出，正面（指向性圖5°附近）接收指向性出現了-15 dB 以上的明顯凹陷，30 kHz 頻率下凹陷甚至接近-20 dB。越接近吸聲橡膠中心處凹陷越明顯，同時仍可在21 kHz 頻率觀察到凹陷中間的凸起。與之前的試驗結果相似，背面（指向性圖1 185°附近）一定開角范圍內的指向性也出現了不同程度的凹陷，同時21 kHz 的指向性圖相比30 kHz 的指向性圖更加圓潤。

對比可知，在吸聲橡膠兩側增加反聲泡沫，可增加正面的指向性凹陷效果，使其更尖銳，同時對背面（180°附近）的凹陷反而能起到平滑作用，減少了背面的指向性損失。

2.4.1 加寬吸聲橡膠

增加吸聲橡膠條寬度，從2 cm 增加至4 cm，其余條件不變，即在全指向性球形接收換能器表面黏貼寬度約4 cm 的吸聲橡膠條并在其兩側都黏貼寬度約1 cm反聲泡沫條，分別測試其在21 kHz、30 kHz 頻率的接收指向性結果，如圖10 所示。

圖10 接收指向性Fig. 10 Receive directivity

對比可知，增加吸聲橡膠條寬度，使得正面指向性凹陷的開角范圍更大，開角范圍由原來的85°增加至115°，但未引起正面指向性的進一步凹陷，仍在-20 dB 范圍內。同時一定程度上加劇了背面的指向性損失。

2.4.2 減窄反聲泡沫

減小反聲泡沫條寬度，從1 cm減少至0.5 cm，其余條件不變，即在全指向性球形接收換能器表面黏貼寬度約4 cm 的吸聲橡膠條并在其兩側都黏貼寬度約0.5 cm 反聲泡沫條，分別測試其在21 kHz 和30 kHz 頻率的接收指向性結果，如圖11 所示。

圖11 接收指向性Fig. 11 Receive directivity

對比可知，減窄反聲泡沫條寬度，在21 kHz 條件下正面指向性凹陷有所減少，其余方面未有明顯變化；在30 kHz 條件下正面指向性凹陷更加尖銳，背面指向性曲線的凹陷有所緩解。

3 結 語

本文提出了一種使接收換能器形成指定方向指向性凹陷的方法，通過在接收換能器表面黏貼吸聲、反聲材料，減小換能器在指定方向接收到的聲波，從而形成該方向指向性的凹陷。并通過對比試驗，分析比較了吸聲、反聲材料不同組合方式、不同大小對指向性凹陷效果的影響。由試驗結果可看出，該方法可使接收換能器在指定方向形成-20～-10 dB 的指向性凹陷。該方法實施簡單、成本低廉，但在實際使用中應考慮為接收換能器加裝透聲導流罩，防止黏貼的吸聲、反聲材料因水流沖擊而脫落。該方法可為實收實發、聲隔離等技術及裝備的實現提供有力的支撐。