基于压电加速度计的同振型矢量水听器的设计

　　0 引言

　　矢量水听器按照结构形式不同可分为双声压式、不动外壳式和同振式三种,同振型是目前矢量水听器工程应用中较为普遍采用的一种结构,研究与应用结果表明:同振型矢量水听器灵敏度高,灵敏度频响在工作频率范围内起伏小;指向性图对称性好、分辨力高,并且水听器体积小、质量轻,特别适合在声呐浮标系统及拖曳阵中应用。

　　1 理论依据

　　声学理论研究表明[1,2],声学刚硬球(或柱)体在水中声波作用下作自由运动时,其振动速度幅值V与声场中球心(或柱体几何中心)处水质点的振动速度幅值V0之间的关系为

　　式中:

　　ρ0为水介质密度,kg/m³;

　　为刚硬球(或柱)体的平均密度,kg/m³。

　　由公式(1)可知,当刚硬球(或柱)体的平均密度等于水介质密度时,其振动速度幅值V与声场中球心(或柱体几何中心)处水质点的振动速度幅值V0相同,这样只要刚硬球(或柱)体内部有可以拾取该振动速度的传感器件即可获得声场中球心(或柱体几何中心)处水质点的振动速度。同振型矢量水听器就是基于这一原理设计的,其平均密度等于或接近水介质密度,内部采用振动传感器作为敏感元件,根据水听器设计经验及实验证明:压电加速度计可应用在同振型矢量水听器的设计中。

　　2 设计方法

　　声学刚硬球(或柱)体在水中声波作用下作自由运动时,存在声散射问题,根据理论研究可知[3],当波尺寸很小时,即

　　式中

　　k是波数,m^-1;

　　L是刚硬球(或柱)体的最大线性尺度,m。

　　满足上述关系时,刚硬球(或柱)体对声场的干扰可不予考虑,并且只有满足此条件,上述公式(1)才成立,否则, V和V0之间存在较为复杂的关系,不利于同振型矢量水听器的结构设计,因此,在同振型矢量水听器的结构设计中,首先考虑满足kL《1的条件,即水听器工作频率与其外壳尺寸之间的关系(见图1)。

　　由此关系曲线可知:(1)同振型矢量水听器的外壳尺寸随着工作频率的增加而减小,当工作频率较高时,水听器的外壳尺寸将小至在工艺上无法实现;(2)工作频率低于4 kHz时,其外壳尺寸随工作频率增加下降较快;而工作频率高于4 kHz以后,其外壳尺寸随工作频率增加下降较慢,所以在高频段水听器的外壳尺寸与工作频率的关系较小。其次,应考虑在满足式(1)条件的前提下,进行压电加速度计的选择及其特性参数的确定。为了满足式(1)的条件,在选择压电加速度计时,除了考虑灵敏度及工作频带外,更要将体积小、质量轻作为首要条件,为此在工程允许范围内宁可牺牲灵敏度。另外,根据平面波场理论:同振型矢量水听器的自由场电压灵敏度Mp与其在水中的振动速度之间的关系[4]为