基于矢量水聽器的高指向性二階水聽器的研究.pdf

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

2、量水聽器而言，二階水聽器具有更為銳化的四極子指向性，它的突出特點(diǎn)是具備測量聲場中二階張量的能力，因此開展針對高指向性二階水聽器的物理基礎(chǔ)性研究和工程研究都是十分必要的。
　　本文首先對高指向性二階水聽器的基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究。利用張量的概念討論水聲物理問題，從聲壓分解理論入手研究二階水聽器測量的各階張量，探討流體聲場中質(zhì)點(diǎn)振速和振速梯度的物理意義，說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，振速梯度描述流體微團(tuán)的變形和轉(zhuǎn)動。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器的指向性性能，并與矢量水聽器的同類性能作比較，理論分析表明二階水聽器四極子指向性的波束寬度小于矢量水聽器的偶極子指向性波束寬度，將兩類水聽器的同類組合指向性的波束寬度比較，證明二階水聽器的指向性性能優(yōu)于矢量水聽器。
　　本文針對高指向性二階水聽器的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行研究。討論

4、二階水聽器的測量原理，給出二階水聽器的空間結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種基于矢量水聽器的高指向性二階水聽器，由六只三維矢量水聽器和一只聲壓水聽器組成，在平面波長中使用時(shí)六只三維矢量水聽器可以簡化至二維。利用等效電路法分析高指向性二階水聽器，推導(dǎo)了二階水聽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。分析了二階水聽器測量原理與水聽器工作頻帶的內(nèi)在聯(lián)系，并研究了矢量水聽器失配對二階水聽器上、下限工作頻率的影響，仿真分析了二階水聽器運(yùn)用的近似測量原理和

5、矢量水聽器失配對二階水聽器指向性的影響。
　　本文選用不同的敏感元件設(shè)計(jì)制作了三種矢量水聽器，再由矢量水聽器組合成三種二階水聽器，小型單軸向二階水聽器上限工作頻率2kHz，中型單軸向二階水聽器上限工作頻率2.5kHz，復(fù)雜結(jié)構(gòu)三軸向二階水聽器上限工作頻率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)算了二階水聽器各通道的理論聲壓靈敏度級，并給出了聲壓靈敏度級隨頻率的變化曲線。分別對設(shè)計(jì)的三種二階水聽器建模，利用有限元分析軟件

6、仿真分析二階水聽器在聲場中的聲散射，討論了散射作用對二階水聽器附近聲場聲壓和相位的影響，同時(shí)仿真分析了二階水聽器各通道的指向性和由聲散射引起的矢量水聽器的幅度和相位失配。
　　本文對設(shè)計(jì)制作的三種矢量水聽器樣器的性能進(jìn)行了測試，給出了指向性、靈敏度等測量結(jié)果，對組合而成的高指向性二階水聽器樣器進(jìn)行了測試，給出二階水聽器各通道的實(shí)測指向性圖、靈敏度曲線等，測試結(jié)果與理論值能夠較好的吻合，討論了二階水聽器實(shí)測指向性與理論指向性差異的成