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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(lèi)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(kāi)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?xún)蓚€(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(lèi)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(lèi)水聽(tīng)器的同類(lèi)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(xiàn)。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(xiàn)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
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