声矢量传感器由传统的无指向性声压传感器和偶极子指向性质点振速传感器复合而成,能够同步共点丈量声场中一点处的声压和质点振速若干正交重量,由此得到的起伏和相位信息为处理一些水声问题供给了新的思路。因其实践的和潜在的工程运用价值,所以在最近十年间与此相关的声矢量传感器技能备受水声界重视。本文测验总述声矢量传感器技能近五十年间在物理根底、传感器规划制造、相关工程运用等各方面的展开前史、现状和所获得的一些研讨进展。
声矢量传感器作为一种新式的水声丈量设备,不光能够丈量声场中最常见的标量物理量—声压,并且还能够直接、同步丈量声场同一点处流体介质质点振速矢量在笛卡儿坐标系下的x,,,:轴向投影重量,一般多用三重量和二重量的方式。在结构上它由传统的无指向性的声压传感器和偶极子指向性的质点振速传感器复合而成,质点振速传感器是核心部件,其灵敏度的凹凸和作业的安稳性等束缚声矢量传感器的规划、制造、加工、安装、校准和运用等许多环节。尽管本文把这种类型的传感器一致称为声矢量传感器,但国内外对此有着不同的称谓,首要的如,俄罗斯将质点振速传感器称为矢量接纳器(vectorer-ceiver),将声矢量传感器称为复合接纳器(conlbinederceiver);美国等将声矢量传感器还称为声压一振速传感器(presure一veloeitysensororp一Vsensor),还有的称其为声强探头(soundintensityprobe)。声矢量传感器技能的首要运用范畴能够掩盖水声戒备声呐、拖曳线列阵声呐、舷侧阵共形阵声呐、水雷声引信、鱼雷勘探声呐、多基地声呐、水下潜器的导航定位、分布式传感器网络等。在空气声学中,声矢量传感器能够用于战场戒备勘探直升机和隐形飞机,噪声源辨认和声强、声功率丈量等,此外还有电磁矢量传感器,它的信号处理方式与水声的相似,能够相互学习。
声矢量传感器技能是在最近十年间备受水声界重视的研讨焦点之一。从上一世纪五十年代中期美国学者宣布的有关运用惯性传感器直接丈量水中质点振速的经典论文以来ll[,到在上一世纪七八十年代前苏联的学者运用其研制成功的声矢量传感器(复合水听器)展开海洋环境噪声研讨z[],直至上一世纪九十年代声矢量传感器技能研讨热潮才逐步鼓起。年俄国学者出书了世界上第一部有关声矢量传感器技能的专着“声学矢量一相位办法,较全面地论说了声矢量传感器技能的原理和运用。1991年的美国声学杂志第89卷第3期和第90卷第2期连着注销美俄两国学者三篇有关声矢量传感器研讨方面的论文,这种状况曾经未曾有过。该技能所包括的潜在军事运用远景促进美国水兵研讨局(ONR)于1995年赞助美国声学学会举办声矢量传感器专题研讨会,并出书了题为“声质点振速传感器:规划、功能和运用”的论文集,它根本反映了其时美国学者在这一范畴的研讨动态,但迄今为止,它仍是该范畴研讨的最有价值的参考资料之一,也十分有力地推进了该范畴的研讨。1997年俄国学者出书的专着“复合水声接纳器”s1自成体系,专门论说声矢量传感器的规划、制造和校准等。2001年美国水兵水下战中心(NUWC)举办了关于指向性声传感器的研讨会,初次约请俄国学者参与。2002年IEEE的OCEANS设立了“声质点振速传感器”专题网,内容触及低频、高频声矢量传感器的规划、制造和试验,声压和声质点振速的联合信息在匹配场处理中的功能等,这些都反映了最新的研讨状况。2003年出书的“海洋矢量声学”,展开了海洋环境噪声的声压标量场特性的研讨,提出了依据声矢量传感器的海上试验、数据处理以及理论剖析等一整套办法。尽管在美国最早呈现了依据惯性传感器的现代声矢量传感器规划思维和制造样品的雏形,但在Rzhevikn和Zakharov的活跃倡议和推进下俄国在声矢量传感器技能的根底研讨和运用研讨两方面要走得更远些,并且还被评为俄罗斯二十世纪十大水声技能之一。
国内的相关作业可追溯到上一世纪九十年代初有关声压梯度水听器和双水听器声强丈量等研讨作业。但真实较深化开端研讨的时刻在1998年今后,1998年松花湖试验和2000年大连海试是国内最早的两次关于声矢量传感器技能的外场试验,随后的2002年密云水库试验和2003年东海、南海声矢量传感器线阵试验,作者都有幸参与了这些试验和相关研讨作业。
丈量声场质点振速的主意很早就有:Rayilegh于1882年在其出名的文章中现已演示了丈量声波均方质点振速的或许性,并以此确认声强,这种设备便是空气声学中常说的Rayilehg盘。之后的Olsen等l人都企图丈量声能流密度,但由于质点振速丈量的复杂性,这些尽力没有得到真实的报答。而现在水声工程中所选用的大多数声矢量传感器作业原理、根本方式和首要的规划理念均依据eLisle等人的观念,因而本文要点论述从1956年之后直到现在,即2004年的声矢量传感器技能的展开过程以及所获得的一些有价值的研讨成果。
鉴于声矢量传感器技能作为一种新式的水声技能,企图全面总述其曩昔和现在的技能状况都是比较困难的,尽管如此但这也从另一个旁边面反映了声矢量传感器技能触及到的许多理论性和工程性问题十分值得深化研讨。正如文献12所写的那样,声矢量传感器水声运用才刚刚新式,还需求做许多作业以评价这类传感器的优势,但清楚明了,经过丈量完好的声场物理量(即声压标量和质点振速矢量)从头深化研讨这一课题是十分有利的。作者力求本文立足于能够客观、全面地反映问题,希望能够为正在从事或行将从事该方向研讨的科研学者供给少许协助。本文首要总述声矢量传感器技能的物理根底,答复为什么需求声矢量传感器,它的运用根底在哪等相似的概念性问题;然后是传感器自身的展开概略,从中能够领会到,怎么才干具有高功能的声矢量传感器;最终是依据声矢量传感器及其阵列的信号处理技能,从理论和试验两方面总述声矢量传感器工程运用的这一重要根底。限于篇幅,本文要点总述前两点,至于后者则独自成文在后续文章中给出。
物理根底
声矢量传感器作为水声物理量的丈量设备,其呈现、展开和运用都与水声物理根底休戚相关,本节从声能流密度、指向性传感器、信号声压和质点振速之间的相干性、噪声声压和质点振速之间的空间相关性四个方面别离论述声矢量传感器原理和运用的物理布景。
声能流密度
由传统的声压水听器丈量能够得到声场势能密度,这是最常用的声场能量方式,可是声矢量传感器除此之外还能够得到声场动能密度和声能流,这些概念关于正确理解声矢量传感器丈量成果至关重要,并且往往被忽视,因而有必要作扼要的概述,而更体系、详细的理论可拜见文献56。
关于水声学的正问题求解而言,依据速度势的简谐声场理论现已适当完善,准则上能够经过求解含边界条件的亥姆霍兹方程,只需存在速度势函数少的解析方式,就能够完好地确认声压。
声场的绝大多数研讨是会集在与声压有关的声波势能密度上,而在与质点振速有关的声波动能密度和声能流密度方面的相应研讨甚少,评论的也仅仅是一些简略的状况,如平面行波场、驻波场,球面行波场,简略波导声场等。从上述声能守恒方程中能够看出,声能流密度更适合于提醒声波能量“活动”的一般性规则叫。为什么会呈现这些现象?归结到一点,那便是短少相应的质点振速丈量设备,在没有声矢量传感器呈现之前,依据声压水听器的水声丈量技能现已适当完善,这是构成许多水声学正问题求解以声压量和声压势能密度为研讨目标的根本原因,由于试验丈量是水声学研讨的物理根底。由此推想到水声学反问题,呈现声压水听器占有控制优势也就家常便饭。是否声学研讨的初期就忽视了这些问题?现实明显不是这样的。继Rayilegh于1884年提出丈量声波质点振速以来,之后的Olsen等人都企图丈量声能流密度,但由于质点振速丈量的复杂性使得研讨束手无策,这种状况一向持续到eLisle等人的论文宣布。
正由于声能流密度或声强概念在声矢量传感器技能中有着特别的方位,所以需求进一步知道它的一些运用方式和所对应的物理含义。
指向性传感器
传感器的指向性是按捺噪声和搅扰的首要目标,常用的声压水听器是无指向性的,即全向接纳,不具有噪声和搅扰的按捺才能,而声矢量传感器所包括的质点振速传感器则刚好相反,且其尺度远小于波长。因而除了声能流密度丈量需求之外,声矢量传感器还能够运用其杰出的低频指向性仅在声场一点处就能够确认声源的方位,而所需的孔径远小于声波波长。
声矢量传感器
本节总述声矢量传感器的一般性分类、作业原理、结构特色、规划准则和功能参数等,对交叉其间的声矢量传感器展开前史也做了扼要的概述。
一般性分类
质点振速传感器是声矢量传感器的核心部件,因而,矢量传感器的分类首要是指质点振速传感器的分类,它准则上分为声压梯度式和惯性式两种类型.惯性式是指将惯性传感器,如加速度计等对振荡灵敏的传感器安装在刚性的球体、圆柱体或椭球体等几何体中,当有声波效果时,刚性领会随流体介质质点同步振荡,其内部的振荡传感器拾取相应的声质点运动信息,因而亦称为同振式。声压梯度式多是运用空间两点处声压的有限差分的原理来近似得到声压梯度,这能够经过反相串并联的线路连接在传感器内部完成,而声压梯度与介质质点的加速度之间的关系由Euler公式确认,经过核算直接得到介质质点振荡信息。惯性式声矢量传感器是对简谐声场中介质质点振荡真实含义上的直接丈量.由于这两类声矢量传感器的作业机理的差异,则相应的功能参数也明显地不同。一般状况下都习气将惯性式质点振速传感器统称为质点振速传感器,而不管丈量的物理量是声压梯度、质点位移、质点振速,仍是质点加速度,但有时依据需求把质点振速传感器细分为声压梯度式、质点位移式、质点振速式和质点加速度式,后两者运用更为遍及.依据所丈量的上述物理量投影重量数目,质点振速传感器能够分为:单通道、双通道和三通道,相应地,声矢量传感器有二通道、三通道和四通道。依据换能器的换能原理,质点振速传感器能够分为:压电式、动圈式、电容式、光纤式、磁致弹性式等。现在总体上看,依据电容、磁致弹性、光纤换能器的质点振速传感器研讨并不遍及,压电式的质点振速传感器因其功能安稳牢靠仍占有着其时研讨和运用的主导方位。
声压梯度传感器
声压梯度传感器一般有两种规划理念。最天然的声压梯度传感器是两个小距离别离的无指向性传感器,反相接线使得信号相减,这一理念作为双传声器技能常用于空气声强和阻抗丈量,但要注意到,这些只对灵敏度和相位肯定匹配的传感器有用(或经过校准来匹配)且距离远小于波长使由Euler方程得到的有限差分近似差错最小。这种思维体现在自上一世纪七十年代起盛极一时的双传声器声强探头,在水声中一般称为双水听器探头。由于在继Rayilegh提出丈量质点振速的主意之后所进行的测验由于质点振速丈量的复杂性和其时技能条件的束缚使得研讨人员不得不暂时消除直接丈量质点振速的想法,继而转向选用这样直接的办法得到质点振速和声能流密度。总体上看,这一时期的声压梯度水听器首要存在两个丧命缺点:一是灵敏度偏低,只能在信噪比较高的条件下运用,如声源的近场声强丈量等;二是功能参数不安稳,严峻依赖于资料、结构和制造工艺等。很天然地,这大大束缚了它的工程运用。尽管后来将别离的一对或多对声压传感器封装在同一个壳体中,如将压电陶瓷柱沿圆周均匀分红四份,或将压电陶瓷球壳均匀分红四份的多模球等,尽管使能安稳性有了明显的改进,但灵敏度仍然太低,指向性也不是很抱负,且随频率改变.这类声压梯度水听器较成功的运用实例是航空无线电声呐DIFAR浮标AN/BQQ一53。另一种声压梯度传感器的规划理念是使离隔的曲折传感器两边(即双迭片)都遭到声波效果,使得纯的电压输出对应于穿过曲折元件的声压之差。时至今日,还有一些研讨人员在此方向持续测验,跟着资料的前进并经过杰出的规划和工艺根本上能够保证声压梯度水听器牢靠的作业,尽管如此但跟着惯性式声矢量传感器的研制成功,它根本上被排挤在其时声矢量传感器研讨的干流之外,由于现在商业化的微型加速度计具有更高的灵敏度、更安稳牢靠的功能。
声压梯度传感器实践上是直接丈量空间小尺度上的多点声压标量,然后经过线路的反相并联或串联来得到声压梯度的有限差分近似,这与直接丈量质点振速和质点加速度的质点振速传感器机理明显不同,因而,有人以为所谓的“声压梯度”传感器不应该列入到真实的直接丈量声场质点振速的质点振速传感器中,而作为它的过渡人物或许更适宜。
同振式声矢l传感器
在现代水声工程中运用频度较高的一类声矢量传感器是依据惯性传感器的同振式传感器,它的首要长处在于,自身不发生明显的声场畸变,即能够视为点接纳器,因而它的指向性比固定式的要好,并且功能参数更安稳,能够用于准确或长时刻丈量,在不同的运用中,同振式声矢量传感器的均匀密度为0.9~1.59/em3。
有关惯性式声矢量传感器的作业最早呈现在水兵军器试验室(NvaalOrdnaneeLaboratory)Leslie等人的作业川,他们推导了刚硬、均匀球体在抱负水介质声场中运动的数学表达式并证明,这类中性浮力的球体在低频运动时具有与相同方位处水质点相同的振速。
现在商业加速度计在10Hz、10kHz的频带上有平整的呼应,声波对声矢量传感器悬挂体系的影响或许会成为丈量声质点振速的水声惯性传感器规划的某些束缚。由于实践运用时不得不将惯性传感器悬挂在某些主渠道上以保证声矢量传感器悬挂体系和渠道不污染丈量,这关于声矢量传感器准确丈量十分要害,此外还要考虑流体和壳体的密度、流体的粘性所引起的效应。同振式声矢量传感器对流噪声更灵敏,在运用时特别要注意。试验标明a0[],当流足够快以至于在传感器外表构成湍流时质点振速传感器遭到的影响甚于声压传感器,可是,假如外裹橡胶层,则能够明显下降流噪声。
