聲矢量傳感器研究進展

寂靜天花板

聲矢量傳感器由傳統的無指向性聲壓傳感器和偶極子指向性質點振速傳感器復合而成,可以同步共點測量聲場中一點處的聲壓和質點振速若干正交分量,由此得到的幅度和相位信息為解決一些水聲問題提供了新的思路。因其實際的和潛在的工程應用價值,所以在最近十年間與此相關的聲矢量傳感器技術備受水聲界關注。本文嘗試綜述聲矢量傳感器技術近五十年間在物理基礎、傳感器設計制作、相關工程應用等各方面的發展歷史、現狀和所取得的一些研究進展。
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聲矢量傳感器作為一種新型的水聲測量設備,不但可以測量聲場中最常見的標量物理量—聲壓,而且還可以直接、同步測量聲場同一點處流體介質質點振速矢量在笛卡兒坐標系下的x,,,:軸向投影分量,一般多用三分量和二分量的形式。在結構上它由傳統的無指向性的聲壓傳感器和偶極子指向性的質點振速傳感器復合而成,質點振速傳感器是核心部件,其靈敏度的高低和工作的穩定性等制約聲矢量傳感器的設計、制作、加工、裝配、校準和使用等諸多環節。盡管本文把這種類型的傳感器統一稱為聲矢量傳感器,但國內外對此有著不同的稱謂,主要的如,俄羅斯將質點振速傳感器稱為矢量接收器(vectorer-ceiver),將聲矢量傳感器稱為復合接收器(conlbinederceiver);美國等將聲矢量傳感器還稱為聲壓一振速傳感器(presure一veloeitysensororp一Vsensor),還有的稱其為聲強探頭(soundintensityprobe)。聲矢量傳感器技術的主要應用領域可以覆蓋水聲警戒聲吶、拖曳線列陣聲吶、舷側陣共形陣聲吶、水雷聲引信、魚雷探測聲吶、多基地聲吶、水下潛器的導航定位、分布式傳感器網絡等。在空氣聲學中,聲矢量傳感器可以用于戰場警戒探測直升機和隱形飛機,噪聲源識別和聲強、聲功率測量等,此外還有電磁矢量傳感器,它的信號處理形式與水聲的類似,可以互相借鑒。
　　
聲矢量傳感器技術是在最近十年間備受水聲界關注的研究焦點之一。從上一世紀五十年代中期美國學者發表的有關使用慣性傳感器直接測量水中質點振速的經典論文以來ll[,到在上一世紀七八十年代前蘇聯的學者利用其研制成功的聲矢量傳感器(復合水聽器)開展海洋環境噪聲研究z[],直至上一世紀九十年代聲矢量傳感器技術研究熱潮才逐漸興起。年俄國學者出版了世界上第一部有關聲矢量傳感器技術的專著“聲學矢量一相位方法,較全面地論述了聲矢量傳感器技術的原理和應用。1991年的美國聲學雜志第89卷第3期和第90卷第2期連著刊出美俄兩國學者三篇有關聲矢量傳感器研究方面的論文,這種情況以前未曾有過。該技術所蘊含的潛在軍事應用前景促使美國海軍研究局(ONR)于1995年資助美國聲學學會舉行聲矢量傳感器專題研討會,并出版了題為“聲質點振速傳感器:設計、性能和應用”的論文集,它基本反映了當前美國學者在這一領域的研究動態,但迄今為止,它仍是該領域研究的最有價值的參考資料之一,也非常有力地推動了該領域的研究。1997年俄國學者出版的專著“復合水聲接收器”s1自成體系,專門論述聲矢量傳感器的設計、制作和校準等。2001年美國海軍水下戰中心(NUWC)舉辦了關于指向性聲傳感器的研討會,首次邀請俄國學者參加。2002年IEEE的OCEANS設立了“聲質點振速傳感器”專題網,內容涉及低頻、高頻聲矢量傳感器的設計、制作和實驗,聲壓和聲質點振速的聯合信息在匹配場處理中的性能等,這些都反映了最新的研究情況。2003年出版的“海洋矢量聲學”,發展了海洋環境噪聲的聲壓標量場特性的研究,提出了基于聲矢量傳感器的海上實驗、數據處理以及理論分析等一整套方法。盡管在美國最早出現了基于慣性傳感器的現代聲矢量傳感器設計思想和制作樣品的雛形,但在Rzhevikn和Zakharov的積極倡議和推動下俄國在聲矢量傳感器技術的基礎研究和應用研究兩方面要走得更遠些,而且還被評為俄羅斯二十世紀十大水聲技術之一。
4 E( \" y; a# }0 @( _8 R質點振速傳感器是聲矢量傳感器的核心部件,因此,矢量傳感器的分類主要是指質點振速傳感器的分類,它原則上分為聲壓梯度式和慣性式兩種類型.慣性式是指將慣性傳感器,如加速度計等對振動敏感的傳感器安裝在剛性的球體、圓柱體或橢球體等幾何體中,當有聲波作用時,剛性體會隨流體介質質點同步振動,其內部的振動傳感器拾取相應的聲質點運動信息,因此亦稱為同振式。聲壓梯度式多是利用空間兩點處聲壓的有限差分的原理來近似得到聲壓梯度,這可以通過反相串并聯的線路連接在傳感器內部實現,而聲壓梯度與介質質點的加速度之間的關系由Euler公式確定,通過計算間接得到介質質點振動信息。慣性式聲矢量傳感器是對簡諧聲場中介質質點振動真正意義上的直接測量.由于這兩類聲矢量傳感器的工作機理的差異,則相應的性能參數也明顯地不同。一般情況下都習慣將慣性式質點振速傳感器統稱為質點振速傳感器,而無論測量的物理量是聲壓梯度、質點位移、質點振速,還是質點加速度,但有時根據需要把質點振速傳感器細分為聲壓梯度式、質點位移式、質點振速式和質點加速度式,后兩者應用更為普遍.根據所測量的上述物理量投影分量數目,質點振速傳感器可以分為:單通道、雙通道和三通道,相應地,聲矢量傳感器有二通道、三通道和四通道。根據換能器的換能原理,質點振速傳感器可以分為:壓電式、動圈式、電容式、光纖式、磁致伸縮式等。目前總體上看,基于電容、磁致伸縮、光纖換能器的質點振速傳感器研究并不普遍,壓電式的質點振速傳感器因其性能穩定可靠仍占據著當前研究和應用的主導地位。

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