聲矢量傳感器研究進展

聲矢量傳感器由傳統(tǒng)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(fā)展歷史、現(xiàn)狀和所取得的一些研究進展。

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(tǒng)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(wěn)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(huán)節(jié)。盡管本文把這種類型的傳感器統(tǒng)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(zhàn)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(fā)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(lián)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(huán)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(tài),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(zhàn)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(lián)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(fā)展了海洋環(huán)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(shù)據處理以及理論分析等一整套方法。盡管在美國最早出現(xiàn)了基于慣性傳感器的現(xiàn)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。

國內的相關工作可追溯到上一世紀九十年代初有關聲壓梯度水聽器和雙水聽器聲強測量等研究工作。但真正較深入開始研究的時間在1998年以后,1998年松花湖實驗和2000年大連海試是國內最早的兩次關于聲矢量傳感器技術的外場實驗,隨后的2002年密云水庫實驗和2003年東海、南海聲矢量傳感器線陣實驗,作者都有幸參加了這些實驗和相關研究工作。

測量聲場質點振速的想法很早就有:Rayilegh于1882年在其著名的文章中已經演示了測量聲波均方質點振速的可能性,并以此確定聲強,這種裝置就是空氣聲學中常說的Rayilehg盤。之后的Olsen等l人都試圖測量聲能流密度,但由于質點振速測量的復雜性,這些努力沒有得到真正的回報。而現(xiàn)在水聲工程中所采用的大多數(shù)聲矢量傳感器工作原理、基本形式和主要的設計理念均基于eLisle等人的觀點,因此本文重點闡述從1956年之后直到現(xiàn)在,即2004年的聲矢量傳感器技術的發(fā)展過程以及所取得的一些有價值的研究成果。

鑒于聲矢量傳感器技術作為一種新興的水聲技術,試圖全面綜述其過去和現(xiàn)在的技術狀態(tài)都是比較困難的,盡管如此但這也從另一個側面反映了聲矢量傳感器技術涉及到的許多理論性和工程性問題非常值得深入研討。正如文獻12所寫的那樣,聲矢量傳感器水聲應用才剛剛新興,還需要做許多工作以評估這類傳感器的優(yōu)勢,但顯而易見,通過測量完整的聲場物理量(即聲壓標量和質點振速矢量)重新深入研究這一課題是非常有益的。作者力求本文立足于能夠客觀、全面地反映問題,希望能夠為正在從事或即將從事該方向研究的科研學者提供些許幫助。本文首先綜述聲矢量傳感器技術的物理基礎,回答為什么需要聲矢量傳感器,它的應用基礎在哪等類似的概念性問題;然后是傳感器自身的發(fā)展概況,從中可以體會到,如何才能擁有高性能的聲矢量傳感器;最后是基于聲矢量傳感器及其陣列的信號處理技術,從理論和實驗兩方面綜述聲矢量傳感器工程應用的這一重要基礎。限于篇幅,本文重點綜述前兩點,至于后者則單獨成文在后續(xù)文章中給出。

物理基礎

聲矢量傳感器作為水聲物理量的測量設備,其出現(xiàn)、發(fā)展和應用都與水聲物理基礎息息相關,本節(jié)從聲能流密度、指向性傳感器、信號聲壓和質點振速之間的相干性、噪聲聲壓和質點振速之間的空間相關性四個方面分別闡述聲矢量傳感器原理和應用的物理背景。

聲能流密度

由傳統(tǒng)的聲壓水聽器測量可以得到聲場勢能密度,這是最常用的聲場能量形式,但是聲矢量傳感器除此之外還可以得到聲場動能密度和聲能流,這些概念對于正確理解聲矢量傳感器測量結果至關重要,而且往往被忽視,因此有必要作簡要的概述,而更系統(tǒng)、具體的理論可參見文獻56。

對于水聲學的正問題求解而言,基于速度勢的簡諧聲場理論已經相當完善,原則上可以通過求解含邊界條件的亥姆霍茲方程,只要存在速度勢函數(shù)少的解析形式,就可以完整地確定聲壓。

聲場的絕大多數(shù)研究是集中在與聲壓有關的聲波勢能密度上,而在與質點振速有關的聲波動能密度和聲能流密度方面的相應研究甚少,討論的也僅僅是一些簡單的情況,如平面行波場、駐波場,球面行波場,簡單波導聲場等。從上述聲能守恒方程中可以看出,聲能流密度更適合于揭示聲波能量“流動”的一般性規(guī)律叫。為什么會出現(xiàn)這些現(xiàn)象?歸結到一點,那就是缺少相應的質點振速測量設備,在沒有聲矢量傳感器出現(xiàn)之前,基于聲壓水聽器的水聲測量技術已經相當完善,這是造成許多水聲學正問題求解以聲壓量和聲壓勢能密度為研究對象的根本原因,因為實驗測量是水聲學研究的物理基礎。由此推想到水聲學反問題,出現(xiàn)聲壓水聽器占據統(tǒng)治優(yōu)勢也就不足為奇。是否聲學研究的初期就忽視了這些問題?事實顯然不是這樣的。繼Rayilegh于1884年提出測量聲波質點振速以來,之后的Olsen等人都試圖測量聲能流密度,但由于質點振速測量的復雜性使得研究一籌莫展,這種情況一直持續(xù)到eLisle等人的論文發(fā)表。

正因為聲能流密度或聲強概念在聲矢量傳感器技術中有著特殊的地位,所以需要進一步認識它的一些應用形式和所對應的物理意義。

指向性傳感器

傳感器的指向性是抑制噪聲和干擾的主要指標,常用的聲壓水聽器是無指向性的,即全向接收,不具有噪聲和干擾的抑制能力,而聲矢量傳感器所包含的質點振速傳感器則剛好相反,且其尺寸遠小于波長。因此除了聲能流密度測量需要之外,聲矢量傳感器還可以利用其良好的低頻指向性僅在聲場一點處就能夠確定聲源的方位,而所需的孔徑遠小于聲波波長。

聲矢量傳感器

本節(jié)綜述聲矢量傳感器的一般性分類、工作原理、結構特點、設計原則和性能參數(shù)等,對穿插其中的聲矢量傳感器發(fā)展歷史也做了簡要的概述。

一般性分類

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(lián)的線路連接在傳感器內部實現(xiàn),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(shù)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(tǒng)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(shù)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(wěn)定可靠仍占據著當前研究和應用的主導地位。

聲壓梯度傳感器

聲壓梯度傳感器通常有兩種設計理念。最自然的聲壓梯度傳感器是兩個小間距分離的無指向性傳感器,反相接線使得信號相減,這一理念作為雙傳聲器技術常用于空氣聲強和阻抗測量,但要注意到,這些只對靈敏度和相位絕對匹配的傳感器有效(或通過校準來匹配)且間距遠小于波長使由Euler方程得到的有限差分近似誤差最小。這種思想體現(xiàn)在自上一世紀七十年代起盛極一時的雙傳聲器聲強探頭,在水聲中一般稱為雙水聽器探頭。因為在繼Rayilegh提出測量質點振速的想法之后所進行的嘗試由于質點振速測量的復雜性和當時技術條件的限制使得研究人員不得不暫時打消直接測量質點振速的念頭,繼而轉向采用這樣間接的方法得到質點振速和聲能流密度。總體上看,這一時期的聲壓梯度水聽器主要存在兩個致命缺陷:一是靈敏度偏低,只能在信噪比較高的條件下使用,如聲源的近場聲強測量等;二是性能參數(shù)不穩(wěn)定,嚴重依賴于材料、結構和制作工藝等。很自然地,這大大限制了它的工程應用。盡管后來將分離的一對或多對聲壓傳感器封裝在同一個殼體中,如將壓電陶瓷柱沿圓周均勻分成四份,或將壓電陶瓷球殼均勻分成四份的多模球等,雖然使能穩(wěn)定性有了顯著的改善,但靈敏度依然太低,指向性也不是很理想,且隨頻率變化.這類聲壓梯度水聽器較成功的應用實例是航空無線電聲吶DIFAR浮標AN/BQQ一53。另一種聲壓梯度傳感器的設計理念是使隔開的彎曲傳感器兩側(即雙迭片)都受到聲波作用,使得純的電壓輸出對應于穿過彎曲元件的聲壓之差。時至今日,還有一些研究人員在此方向繼續(xù)嘗試,隨著材料的進步并通過良好的設計和工藝基本上可以保證聲壓梯度水聽器可靠的工作,盡管如此但隨著慣性式聲矢量傳感器的研制成功,它基本上被排斥在當前聲矢量傳感器研究的主流之外,因為現(xiàn)在商業(yè)化的微型加速度計具有更高的靈敏度、更穩(wěn)定可靠的性能。

聲壓梯度傳感器實際上是直接測量空間小尺度上的多點聲壓標量,然后通過線路的反相并聯(lián)或串聯(lián)來得到聲壓梯度的有限差分近似,這與直接測量質點振速和質點加速度的質點振速傳感器機理顯著不同,因此,有人認為所謂的“聲壓梯度”傳感器不應該列入到真正的直接測量聲場質點振速的質點振速傳感器中,而作為它的過渡角色可能更合適。

同振式聲矢l傳感器

在現(xiàn)代水聲工程中使用頻度較高的一類聲矢量傳感器是基于慣性傳感器的同振式傳感器,它的主要優(yōu)點在于,本身不產生明顯的聲場畸變,即可以視為點接收器,因此它的指向性比固定式的要好,而且性能參數(shù)更穩(wěn)定,可以用于精確或長時間測量,在不同的應用中,同振式聲矢量傳感器的平均密度為0.9~1.59/em3。

有關慣性式聲矢量傳感器的工作最早出現(xiàn)在海軍軍械實驗室(NvaalOrdnaneeLaboratory)Leslie等人的工作川,他們推導了剛硬、均勻球體在理想水介質聲場中運動的數(shù)學表達式并證明,這類中性浮力的球體在低頻運動時具有與相同位置處水質點相同的振速。

現(xiàn)在商業(yè)加速度計在10Hz、10kHz的頻帶上有平坦的響應,聲波對聲矢量傳感器懸掛系統(tǒng)的影響可能會成為測量聲質點振速的水聲慣性傳感器設計的某些約束。因為實際使用時不得不將慣性傳感器懸掛在某些主平臺上以確保聲矢量傳感器懸掛系統(tǒng)和平臺不污染測量,這對于聲矢量傳感器精確測量非常關鍵,此外還要考慮流體和殼體的密度、流體的粘性所引起的效應。同振式聲矢量傳感器對流噪聲更敏感,在使用時尤其要注意。實驗表明a0[],當流足夠快以至于在傳感器表面形成湍流時質點振速傳感器受到的影響甚于聲壓傳感器,但是,如果外裹橡膠層,則可以顯著降低流噪聲。