基于矢量水聽(tīng)器的高指向性二階水聽(tīng)器的研究.pdf

1、水下中小型測(cè)量平臺(tái)是對(duì)水面和水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和定位的常用裝備，這類平臺(tái)的布陣空間狹小，不適合安裝大孔徑的水聲傳感器陣列，單矢量水聽(tīng)器在平臺(tái)中的應(yīng)用對(duì)提高平臺(tái)的性能起到了良好的作用，但它的波束角較大，這種鈍指向性在對(duì)目標(biāo)定位的過(guò)程中難以獲得較高的方位分辨率，對(duì)于多個(gè)距離較近的目標(biāo)則更加難以區(qū)分，因此在中小型測(cè)量平臺(tái)上仍然需要繼續(xù)研發(fā)指向性更為銳化的高指向性水聽(tīng)器提升平臺(tái)性能。高指向性二階水聽(tīng)器是繼矢量水聽(tīng)器之后一種新型水聲傳感器，相對(duì)于矢

2、量水聽(tīng)器而言，二階水聽(tīng)器具有更為銳化的四極子指向性，它的突出特點(diǎn)是具備測(cè)量聲場(chǎng)中二階張量的能力，因此開展針對(duì)高指向性二階水聽(tīng)器的物理基礎(chǔ)性研究和工程研究都是十分必要的。
　　本文首先對(duì)高指向性二階水聽(tīng)器的基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究。利用張量的概念討論水聲物理問(wèn)題，從聲壓分解理論入手研究二階水聽(tīng)器測(cè)量的各階張量，探討流體聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)振速和振速梯度的物理意義，說(shuō)明振速梯度張量與目前聲學(xué)常用物理量的聯(lián)系。理論分析證明了聲場(chǎng)中流體微團(tuán)內(nèi)各點(diǎn)的聲壓不均

3、勻性是導(dǎo)致流體微團(tuán)發(fā)生運(yùn)動(dòng)的根本原因，質(zhì)點(diǎn)振速可以描述流體微團(tuán)的平移運(yùn)動(dòng)，振速梯度描述流體微團(tuán)的變形和轉(zhuǎn)動(dòng)。從單通道指向性和多通道組合指向性兩個(gè)方面分析了二階水聽(tīng)器的指向性性能，并與矢量水聽(tīng)器的同類性能作比較，理論分析表明二階水聽(tīng)器四極子指向性的波束寬度小于矢量水聽(tīng)器的偶極子指向性波束寬度，將兩類水聽(tīng)器的同類組合指向性的波束寬度比較，證明二階水聽(tīng)器的指向性性能優(yōu)于矢量水聽(tīng)器。
　　本文針對(duì)高指向性二階水聽(tīng)器的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行研究。討論

4、二階水聽(tīng)器的測(cè)量原理，給出二階水聽(tīng)器的空間結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種基于矢量水聽(tīng)器的高指向性二階水聽(tīng)器，由六只三維矢量水聽(tīng)器和一只聲壓水聽(tīng)器組成，在平面波長(zhǎng)中使用時(shí)六只三維矢量水聽(tīng)器可以簡(jiǎn)化至二維。利用等效電路法分析高指向性二階水聽(tīng)器，推導(dǎo)了二階水聽(tīng)器各通道的聲壓靈敏度表達(dá)式，并驗(yàn)證了公式的正確性。分析了二階水聽(tīng)器測(cè)量原理與水聽(tīng)器工作頻帶的內(nèi)在聯(lián)系，并研究了矢量水聽(tīng)器失配對(duì)二階水聽(tīng)器上、下限工作頻率的影響，仿真分析了二階水聽(tīng)器運(yùn)用的近似測(cè)量原理和

5、矢量水聽(tīng)器失配對(duì)二階水聽(tīng)器指向性的影響。
　　本文選用不同的敏感元件設(shè)計(jì)制作了三種矢量水聽(tīng)器，再由矢量水聽(tīng)器組合成三種二階水聽(tīng)器，小型單軸向二階水聽(tīng)器上限工作頻率2kHz，中型單軸向二階水聽(tīng)器上限工作頻率2.5kHz，復(fù)雜結(jié)構(gòu)三軸向二階水聽(tīng)器上限工作頻率1.6kHz。根據(jù)基礎(chǔ)理論推導(dǎo)得到的聲壓靈敏度公式計(jì)算了二階水聽(tīng)器各通道的理論聲壓靈敏度級(jí)，并給出了聲壓靈敏度級(jí)隨頻率的變化曲線。分別對(duì)設(shè)計(jì)的三種二階水聽(tīng)器建模，利用有限元分析軟件

6、仿真分析二階水聽(tīng)器在聲場(chǎng)中的聲散射，討論了散射作用對(duì)二階水聽(tīng)器附近聲場(chǎng)聲壓和相位的影響，同時(shí)仿真分析了二階水聽(tīng)器各通道的指向性和由聲散射引起的矢量水聽(tīng)器的幅度和相位失配。
　　本文對(duì)設(shè)計(jì)制作的三種矢量水聽(tīng)器樣器的性能進(jìn)行了測(cè)試，給出了指向性、靈敏度等測(cè)量結(jié)果，對(duì)組合而成的高指向性二階水聽(tīng)器樣器進(jìn)行了測(cè)試，給出二階水聽(tīng)器各通道的實(shí)測(cè)指向性圖、靈敏度曲線等，測(cè)試結(jié)果與理論值能夠較好的吻合，討論了二階水聽(tīng)器實(shí)測(cè)指向性與理論指向性差異的成