茹鴻菲,郭世旭,王月兵,趙 鵬

(中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,杭州 310018)

在海洋中,傳播著各種頻率的聲波。既有由風(fēng)浪、海上航船、水生生物等引起的高頻聲、中頻聲以及低頻聲等水下聲波,也存在由海洋運(yùn)動(dòng)、地震、海洋內(nèi)波等引起的甚低頻水下聲波,頻率低至0.1 Hz以下。甚低頻聲波頻率非常低,周期在十幾秒至幾十秒,由于普通壓電水聽器的低頻響應(yīng)范圍有限,在測(cè)量中不可避免地會(huì)產(chǎn)生失真[1]。針對(duì)壓電傳感器低頻響應(yīng)特性差的問題,一種方法是用實(shí)時(shí)補(bǔ)償數(shù)字濾波器來對(duì)壓電傳感器的低頻特性改進(jìn)[2-3],另一種方法是通過增加壓電傳感器的前置放大器的輸入阻抗擴(kuò)展其低頻端[4-5]。通常要求前置放大器輸入阻抗比壓電傳感器輸出阻抗高100倍。國(guó)內(nèi)715所[6]研制了一種專用于甚低頻壓電水聽器的超高輸入阻抗前置放大器,其核心元件為高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器,輸入阻抗在工作頻率為0.01 Hz時(shí)高達(dá)6 GΩ,放大器的工作頻率范圍為0.01 Hz～100 kHz。目前國(guó)內(nèi)低頻水聽器的下限頻率大多數(shù)只到幾赫茲。李飛[7]設(shè)計(jì)了PVDF水聽器和與之匹配的前置放大器,水聽器的下限頻率為3 Hz;于硯廷[8]等人根據(jù)有限元理論研制了一種超低頻、高靈敏度聲壓水聽器,在10～1 000 Hz頻段內(nèi),靈敏度為179.64 dB;趙歡[9]等人設(shè)計(jì)的帶低噪聲前放的壓電式水聽器在10～10 kHz頻帶內(nèi)接收靈敏度均大于-170 dB。

甚低頻壓電水聽器除了需要有好的低頻特性以外,由于1/f噪聲頻率越低噪聲越嚴(yán)重,與之匹配的前置放大器在低頻范圍內(nèi)工作時(shí)噪聲會(huì)明顯增加,會(huì)限制壓電水聽器的檢測(cè)效果,因此壓電水聽器的設(shè)計(jì)還需要考慮其本底噪聲。前置放大電路的有源器件一般為BJT、JFET和MOSFET,若源阻抗較低時(shí)BJT的電壓噪聲后兩者更低,因此BJT適合用于低源阻抗放大器(低于104Ω)[10],而JFET和MOSFET輸入阻抗高,并且JFET和MOSFET相比1/f噪聲更低跨導(dǎo)gm更大,更適合用在源阻抗高(大于105Ω)且低頻放大的電路中。例如楊哲[11]等人對(duì)壓電加速度計(jì)的本底噪聲進(jìn)行了理論分析和樣機(jī)測(cè)試,其傳感器的前置電荷放大器中輸入級(jí)采用了JFET模塊。

本文采用增加前置放大器輸入阻抗的方法改進(jìn)了壓電式水聽器的低頻特性,并且與水聽器匹配的前置電壓放大器選擇JFET管為有源器件,利用其高輸入阻抗,低1/f噪聲的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種甚低頻、低噪聲壓電式水聽器,測(cè)試表明,水聽器響應(yīng)頻率下限可以達(dá)到0.06 Hz,本底噪聲低于甚低頻段海洋環(huán)境噪聲,有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 自容式甚低頻水聽器總體設(shè)計(jì)

1.1 甚低頻壓電水聽器結(jié)構(gòu)

目前廣泛使用的水聽器主要為壓電式,由靈敏元件、輔助結(jié)構(gòu)以及電纜組成,可能帶或不帶內(nèi)置式前置放大器,外面包覆透聲性能良好的橡膠或聚氨酯材料。在聲壓作用下,其電纜末端輸出與作用聲壓成正比的開路電壓。由于本文壓電水聽器特殊的工作頻段(低于0.1 Hz)中存在1/f噪聲的影響,水聽器需要重點(diǎn)考慮噪聲降低問題,因此在水聽器結(jié)構(gòu)中還需包含電子倉,用于安裝前置放大器。同時(shí)由于前置放大器輸入阻抗高,還必須在電磁屏蔽方面予以特殊考慮,利用銅絲網(wǎng)將整個(gè)壓電陶瓷環(huán)包裹,再進(jìn)行聚氨酯透聲層的灌注。而壓電陶瓷環(huán)正負(fù)極線被包裹在屏蔽層內(nèi),通過三屏蔽BNC接頭連接至前置放大器電路板,圖1所示為本文甚低頻水聽器的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 甚低頻水聽器結(jié)構(gòu)圖

1.2 水聽器靈敏度與頻率響應(yīng)

通常情況下水聽器在低頻段,靈敏度是與頻率無關(guān)的常數(shù),在諧振頻率處靈敏度有明顯峰值。但實(shí)際上水聽器自由場(chǎng)靈敏度頻響曲線并不像理論曲線那樣在諧振前平直光滑,由于壓電傳感器漏電阻和前置放大器輸入阻抗的存在,壓電傳感器的電荷總會(huì)被泄漏掉,使水聽器低頻靈敏度下降,而且這種降低隨頻率的下降而增大,因此其靈敏度的低頻響應(yīng)取決于所用的前置放大器的類型,選用電壓前置放大器時(shí),頻率下限由壓電傳感器的靜態(tài)電容、絕緣電阻和前置放大器輸入阻抗構(gòu)成的RC時(shí)間常數(shù)的函數(shù)決定。如圖2所示,將壓電傳感器看作一個(gè)電壓源和一個(gè)電容器Ca串聯(lián)的等效電路接入測(cè)量電路,其中等效電阻R=Ra∥Ri,等效電容C=Cc+Ci。

圖2 壓電式傳感器電壓等效電路

(1)

式中:d33為壓電陶瓷的壓電系數(shù)。

當(dāng)水聽器工作在諧振頻率前時(shí)與甚低頻段相比ω很大,可看作ω→∞,則放大器輸入端的電壓幅值為

(2)

此時(shí)傳感器的電壓靈敏度為

(3)

(4)

為擴(kuò)展低頻段,需要增大RC時(shí)間常數(shù),但式(3)可以看出增加電容值會(huì)使壓電傳感器的電壓靈敏度下降,因此只能使前置放大器的輸入阻抗盡可能大,本文預(yù)設(shè)計(jì)輸入阻抗Ri=500 MΩ。

圖3是壓電傳感器的阻抗特性曲線,其絕緣電阻Ra=5.9 GΩ,靜態(tài)電容Ca=77 nF,前置放大器輸入阻抗Ri=500 MΩ,輸入電容Ca=50 pF,水聽器所用電纜電容大約為幾nF,則根據(jù)式(4)可計(jì)算出所設(shè)計(jì)水聽器的理論下限截止頻率為ωL=0.03 Hz。

圖3 壓電傳感器的阻抗特性曲線

2 前置放大電路設(shè)計(jì)

壓電傳感器屬于高阻抗型信號(hào)源,對(duì)于此類傳感器需設(shè)計(jì)高輸入阻抗型的前置放大器以實(shí)現(xiàn)阻抗變換及微弱信號(hào)的放大。目前,集成FTT輸入型的運(yùn)算放大器有很多,但其等效的輸入電壓噪聲均較分立JFET元件高,尤其是低于1/f轉(zhuǎn)折頻率的噪聲更高,本文設(shè)計(jì)傳感器是針對(duì)甚低頻應(yīng)用,故采用在第一級(jí)采用分立JFET設(shè)計(jì)前置放大器。

本文設(shè)計(jì)的超低噪聲JFET放大器的電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示,電路由兩級(jí)放大構(gòu)成,第一級(jí)放大提供了28.5 dB,通過第二級(jí)負(fù)反饋調(diào)節(jié)后整個(gè)放大器電壓放大能力穩(wěn)定,增益為20 dB。工作頻率0.06 Hz～100 kHz,輸入級(jí)放大電路的輸入阻抗達(dá)500 MΩ。

圖4 低噪聲高輸入阻抗放大器原理圖

2.1 輸入級(jí)電路設(shè)計(jì)

JFET管與R1、R2、R3共同組成輸入級(jí)放大電路。由于輸入級(jí)電路是直接與壓電水聽器相連接的,為了實(shí)現(xiàn)與高阻抗信號(hào)源的匹配以及得到較小的噪聲,以及針對(duì)信號(hào)源甚低頻工作頻帶,綜合考慮電路的性能,輸入級(jí)放大電路中的有源器件Q1選擇用en小、in小、gm高、Cgs小、1/f噪聲小的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,該管柵-源之間的電阻可高達(dá)107Ω～1012Ω;JFET管放大采用了自給偏壓電路,R3為Q1柵-源極提供負(fù)偏壓使結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管正常工作。R2的阻值與場(chǎng)效應(yīng)管Q1的跨導(dǎo)共同決定了輸入級(jí)的放大倍數(shù)Au=gm·R2。同時(shí)R2、R3共同決定Q1的工作點(diǎn),對(duì)R2、R3選擇合適的值,一方面要使Q1對(duì)信號(hào)不失真放大,另一方面JFET管的靜態(tài)工作點(diǎn)ID和Vds的大小對(duì)JFET管自身的噪聲也有影響。本文中JFET管的工作電流選取ID≈5 mA,因?yàn)榇藭r(shí),en較小,in也略有減小;同時(shí),VDS調(diào)節(jié)在較低電壓的工作狀態(tài),最大限度的減少了由于JFET的發(fā)熱而導(dǎo)致其噪聲的增大,VDS≈3 V。電阻R1為Q1的柵極漏電阻,用來泄漏掉Q1的柵極電流。它的大小決定了放大器的輸入電阻,根據(jù)信號(hào)源的阻抗大小,本文中的R1選擇采用470 MΩ的金屬膜電阻。另外電路中的電容、電阻及二極管也采用了低噪聲的元器件。

2.2 二級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

第二級(jí)采用集成運(yùn)放,一方面是因?yàn)楦鶕?jù)式(7),第二級(jí)電路噪聲對(duì)整體噪聲的影響不大;另一方面是使用運(yùn)算放大器能夠減小輸入級(jí)放大電路的輸入電容Cin,從而相應(yīng)的減小整個(gè)放大器的Cin。對(duì)于無負(fù)載的JFET共源放大電路,其Cin的值由下式計(jì)算

Cin=Cgs+Cgd(1-G1)

(5)

式中:Cgs和Cgd分別結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵-源級(jí)和柵-漏級(jí)電容。上式中第二項(xiàng)Cgd(1-G1)是由于密勒效應(yīng)(Miller effect)引起的對(duì)于電容Cgd的放大因子。而當(dāng)?shù)诙?jí)采用同相運(yùn)放時(shí),式(5)變?yōu)?/p>

Cin=Cgs+Cgd

(6)

由于運(yùn)算放大器的反相輸入端為虛地,因此消除了電容Cgd的密勒效應(yīng),使放大器的輸入電容Cin減小。通過下文的噪聲分析,當(dāng)對(duì)應(yīng)的信號(hào)源中含有電容時(shí),減小輸入電容對(duì)降低放大器噪聲是很有幫助的。

集成運(yùn)放U1通過電阻R5與第一級(jí)放大電路組成負(fù)反饋電路,使放大器整體增益為G1G2=1+R5/R3。通過第二級(jí)放大電路,由輸入級(jí)28.5 dB的增益減小到20 dB后輸出,雖然損失了一定的放大倍數(shù)但是使放大器在工作頻帶內(nèi)的有更穩(wěn)定的放大能力,同時(shí)小型補(bǔ)償電容C3也有利于進(jìn)一步增加放大器的穩(wěn)定性。

圖5是利用Multisim對(duì)本文設(shè)計(jì)的放大器進(jìn)行頻率特性仿真的結(jié)果,放大器的頻率響應(yīng)在0.04 Hz～1 kHz范圍內(nèi)保持穩(wěn)定,增益為20 dB。

圖5 放大器頻率特性仿真結(jié)果

2.3 放大器噪聲模型

根據(jù)弗里斯(Friis)公式

(7)

為了降低放大器本底噪聲,提高水聽器靈敏度,設(shè)計(jì)中需要第一級(jí)放大電路具有盡量低的噪聲和盡量高的增益。因此本文放大器的降噪及噪聲分析工作主要針對(duì)第一級(jí)放大電路,采用經(jīng)典En-In噪聲模型[12]對(duì)傳感器及前置放大器進(jìn)行噪聲分析,噪聲模型如圖6所示。

圖6 壓電傳感器及前置放大電路等效噪聲模型

將壓電元件等效為電壓源與等效電容串聯(lián)再與內(nèi)阻并聯(lián),其中Cs和Rs分別為絕緣電阻和靜態(tài)電容,es為檢測(cè)到的信號(hào)電壓。ena和in為集總后等效到放大器輸入端的等效噪聲電壓與噪聲電流。ena和in之間的相關(guān)性忽略不計(jì)。放大器輸入級(jí)的總噪聲電壓ena由JFET管的噪聲電壓en和其他互不相關(guān)的電阻噪聲電壓eno組成。

(8)

式中:en1/f是JFET的1/f噪聲,在低頻段1/f噪聲往往高于其他噪聲源,占主導(dǎo)地位。ent是JFET中由溝道熱噪聲電流所引起的溝道噪聲。enR3由兩部分組成,第一部分是電阻R3的熱噪聲enR3t,第二部分是由散彈噪聲電流is經(jīng)過電阻R3產(chǎn)生的噪聲電壓enR3s。

(9)

而相應(yīng)的散彈噪聲電流is是由電阻R3的直流電流ID所帶來的。enR1是電阻R1的熱噪聲。

本文的最終目的是找到傳感器測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)源輸入端的等效噪聲電壓vns。

(10)

式中:vnin是放大器輸入端即JFET的輸入端的等效輸入噪聲。Z1是信號(hào)源的輸入端到放大器輸入端的傳遞系數(shù)。vnin的表達(dá)式為

(11)

式中:vni是由等效噪聲電流in產(chǎn)生的噪聲電壓。而為了計(jì)算上式中的vnin,我們首先必須根據(jù)式(8)找出所有的噪聲電壓源。ent和en1/f分別是JFET的溝道熱噪聲和1/f噪聲。

(12)

式中:gm為JFET的跨導(dǎo);k為玻爾茲曼(Boltzmann)常數(shù),k=1.38×10-23J/K;T為電阻的絕對(duì)溫度,單位為K;Kd在正常工作條件下變化不大,Kd≈0.67;KF為1/f噪聲系數(shù),取決于制作場(chǎng)效應(yīng)管的材料和工藝的常數(shù),隨晶體管種類和樣品的不同而變化很大;Id為流過漏級(jí)的直流電流,γ=0.5～2;α為接近1的常數(shù),通常情況下,取α=1。從上式我們可以看出溝道熱噪聲ent與頻率無關(guān),因此在0.1 Hz～10 Hz的低頻段下,en1/f在JFET噪聲中占主導(dǎo)地位。

由于enR3由兩部分構(gòu)成,在得到enR3t和enR3s后通過式(9)即可計(jì)算得出。其中enR3t為電阻R3的熱噪聲

(13)

enR3s為由散彈噪聲電流is流過電阻R3產(chǎn)生的噪聲電壓。

(14)

式中:q為電子電荷,q=1.602×10-19C。

噪聲源enR1是電阻R1產(chǎn)生的熱噪聲,通過下式獲得

(15)

式中:我們假設(shè)Zs=Rs=0并且C1≥Cin,因此在放大器工作頻率范圍內(nèi)有(ωR1C1)2≥1,則噪聲enR1被簡(jiǎn)化為

(16)

為了檢查上述哪些是主要噪聲源,下面以0.1 Hz為例,列表計(jì)算。

表1 噪聲電壓源估計(jì)值的比較

通過表1可以看出只有en1/f和enR1這兩個(gè)噪聲源是與頻率有關(guān),且與頻率大小成反比。而enR1的值與其他幾個(gè)噪聲的值相比貢獻(xiàn)非常小,可以忽略不計(jì);根據(jù)en1/f的計(jì)算公式可以預(yù)測(cè)到,en1/f的估計(jì)值比其他噪聲源大的多,因此在低頻段主要的噪聲源是en1/f,占主導(dǎo)地位。

下面計(jì)算式(11)的第二項(xiàng),由等效噪聲電流in引入的噪聲電壓vni。根據(jù)式(11)可以看出不同類型的信號(hào)源對(duì)vni的影響是不同的。假設(shè)有Zs=Rs,實(shí)際上對(duì)于大部分信號(hào)源有Rs≤R1,并且(ωR1C1)2≥1此時(shí)vni的表達(dá)式可以由(11)變?yōu)?/p>

(17)

對(duì)于低阻抗信號(hào)源,假設(shè)在頻帶里有(ωRsCin)2≤1,則上式變?yōu)?/p>

(18)

而對(duì)于容抗型信號(hào)源,則有Zs=1/(jωCs),并且通常實(shí)際上有Cs≤C1,此時(shí)式(11)為

(19)

而電阻R1的熱噪聲由式(15)變?yōu)?/p>

(20)

在式(11)中vni取決于放大器等效噪聲電流和信號(hào)源阻抗的大小,而in為JFET輸入端等效噪聲電流,由場(chǎng)效應(yīng)管的柵極散彈噪聲ig和柵極感應(yīng)噪聲ing組成。但是柵極感應(yīng)噪聲ing在低頻時(shí)貢獻(xiàn)相比于其他噪聲非常小,可以忽略不計(jì),因此有

(21)

式(21)中場(chǎng)效應(yīng)管的柵極散彈噪聲ig的計(jì)算公式為

(22)

綜合上述噪聲分析,對(duì)于高阻抗信號(hào)源比如Zs=Rs>100kΩ時(shí),根據(jù)式(10)和式(11)信號(hào)源輸入端的等效噪聲電壓vns為

(23)

而放大器輸入端的等效噪聲電壓vnin為

(24)

上式中前兩項(xiàng)en1/f和ent分別為JFET的1/f噪聲和溝道熱噪聲帶來的噪聲電壓,第三項(xiàng)是由JFET柵極散彈噪聲ig引起的噪聲電壓。

對(duì)于容抗型信號(hào)源,信號(hào)源輸入端的等效噪聲電壓vns為

(25)

放大器輸入端的等效噪聲電壓vnin為

(26)

上式中第一、二項(xiàng)和最后一項(xiàng)的意義與式(24)相同,第三項(xiàng)是由電阻R1的熱噪聲引起的噪聲電壓。

對(duì)于低阻抗信號(hào)源,信號(hào)源輸入端的等效噪聲電壓vns以及放大器輸入端的等效噪聲電壓vnin為

(27)

2.4 關(guān)鍵器件選型

甚低頻壓電水聽器本底噪聲的主要來源除了高阻抗的換能器以外(該部分是根據(jù)測(cè)試信號(hào)選擇的定型產(chǎn)品,不可控制),其余部分中JFET的1/f噪聲和溝道熱噪聲是等效噪聲電壓ena的主要來源,JFET管的柵極散彈噪聲是等效噪聲電流in的主要來源,因此盡可能選擇上述噪聲較低的JFET管是低噪聲放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

目前普遍JFET管的操作手冊(cè)給出的等效輸入噪聲電壓的有效值通常是在頻率為f=1kHz或f=100Hz時(shí)的,一些具體的等效噪聲譜的測(cè)量數(shù)據(jù)曲線圖中,頻率下限也僅僅只達(dá)到10Hz[13]。

表2 前置放大器中電阻、電容值及一些常量

將上述值代入前文2.3推導(dǎo)的噪聲模型進(jìn)行計(jì)算,則等效輸入噪聲的理論計(jì)算結(jié)果如圖7。

圖7 放大電路等效噪聲電壓理論計(jì)算

3 性能測(cè)試

3.1 超低噪聲JFET放大器性能測(cè)試

圖8為測(cè)得的放大器的頻響特性,放大器的頻響范圍為0.04 Hz～100 Hz,放大器中頻段增益為20 dB,0.04 Hz時(shí)達(dá)到-3 dB的下限截止頻率。圖9中實(shí)線和虛線分別為配合低阻抗信號(hào)源和容抗型信號(hào)源時(shí)放大器的等效輸入噪聲電壓譜vns。

圖8 放大電路的頻率響應(yīng)特性

圖9 放大電路等效噪聲電壓譜密度vns

首先假設(shè)信號(hào)源為低阻抗型,即在Zs=Rs≈0(將放大器輸入端短路)時(shí),在室溫條件下測(cè)量0.1 Hz～100 Hz頻率范圍內(nèi)所設(shè)計(jì)放大器的等效輸入噪聲電壓功率譜密度vns。其中

vns=vnout/G

(28)

由圖7和圖9可知,理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量結(jié)果都呈現(xiàn)出甚低頻段電容型信號(hào)源比低阻抗型信號(hào)源噪聲更嚴(yán)重,中低頻段兩者噪聲接近的趨勢(shì)。分析可知,在兩者前放輸入端等效輸入噪聲電流相同的情況下,電容型信號(hào)源阻抗大,與噪聲電流相乘后噪聲貢獻(xiàn)大,因此其在甚低頻段比低阻抗型噪聲增加更迅速。另外受測(cè)試環(huán)境、電源噪聲影響的限制,理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量結(jié)果之間有一定偏差,但整體來說噪聲測(cè)量結(jié)果與前文的噪聲分析具有良好的相關(guān)性。

圖10 水聽器低頻靈敏度測(cè)試方法示意圖

3.2 甚低頻超低噪聲聲壓水聽器的性能測(cè)試

袁文俊[15]設(shè)計(jì)了一種0.01 Hz～1 Hz的水聲聲壓校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)裝置,其采用水聽器與靜水壓產(chǎn)生周期性的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法,對(duì)其頻率響應(yīng)特性進(jìn)行測(cè)量。借鑒此方法,如圖10所示,水池上方有精確的三維行走機(jī)構(gòu),將水聽器固定在行走機(jī)構(gòu)的Z軸方向,并靜置于水下一定深度處。啟動(dòng)電機(jī),水聽器做勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng),設(shè)置運(yùn)動(dòng)速度v及往復(fù)運(yùn)動(dòng)距離Δh,改變往復(fù)運(yùn)動(dòng)的周期,從而實(shí)現(xiàn)水壓不同頻率的變化。

水下壓力的計(jì)算公式為

Δp=ρgΔh

(29)

式中:ρ為水的密度;g為重力加速度;Δh為水聽器運(yùn)動(dòng)的距離,單位為mm。

水聽器的靈敏度計(jì)算公式

(30)

式中:Upp為水聽器開路電壓的幅值,由示波器讀取; Δρ為水壓的變化量,通過式(29)計(jì)算得到。

圖11為信號(hào)頻率分別為0.06 Hz、0.1 Hz、1 Hz時(shí)示波器的測(cè)量結(jié)果,表2為示波器上讀到的峰峰值。

圖11 不同運(yùn)動(dòng)速度下的水聽器輸出波形

運(yùn)動(dòng)距離Δh/mm200200200200200運(yùn)動(dòng)速度v/(mm/s)25322540400電壓信號(hào)幅值/V7.58889

將上述結(jié)果代入式(30)計(jì)算得水聽器在不同頻率時(shí)的靈敏度,其結(jié)果如圖12所示,水聽器靈敏度在0.06 Hz為-168 dB,在0.1 Hz為-167 dB,在1 Hz為-166 dB。

圖12 水聽器頻率響應(yīng)特性

圖13實(shí)線為水聽器實(shí)際測(cè)量的等效噪聲壓譜級(jí),實(shí)驗(yàn)測(cè)量水聽器固有噪聲時(shí),首先選擇在背景噪聲較低的時(shí)段(夜晚),將水聽器進(jìn)行柔性懸掛,靜置一段時(shí)間,待水聽器不再有明顯擺動(dòng)后進(jìn)行測(cè)量,由頻譜分析儀測(cè)得水聽器等效噪聲電壓級(jí)LU,則水聽器的等效噪聲聲壓由式(31)計(jì)算得到

Lps=LU-Meff

(31)

LU為帶寬內(nèi)由頻譜分析儀測(cè)得的噪聲電壓,Meff該頻率處測(cè)得的水聽器靈敏度。由圖13得水聽器等效輸入噪聲聲壓在頻率為0.1 Hz時(shí)為150 dB,在1 Hz時(shí)為80 dB,在頻率為10 Hz時(shí)為78 dB。

圖13 甚低頻低噪聲水聽器本底噪聲vs海洋環(huán)境噪聲

圖13虛線為Wake島附近實(shí)測(cè)海洋環(huán)境噪聲。目前關(guān)于海洋環(huán)境噪聲的研究主要集中在幾百赫茲以上的中高頻段,比如Knudsen譜、Wenz譜、Piggott譜、Crouch譜,對(duì)于幾赫茲甚至零點(diǎn)幾赫茲的低頻端海洋環(huán)境噪聲的研究或觀測(cè)非常少,Charles S. McCreery等人[16]1982年在Wake島附近進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)一年的海洋環(huán)境噪聲測(cè)量,其中包含1 Hz以下甚低頻的部分。除此以外他還整合了其他地區(qū)一年內(nèi)實(shí)測(cè)的海洋和大陸的環(huán)境噪聲在甚低頻段的平均噪聲譜,其中74號(hào)水聽器和20號(hào)水聽器的數(shù)據(jù)為Wake島所實(shí)測(cè),其余噪聲數(shù)據(jù)為其他海洋環(huán)境噪聲研究測(cè)得,通過比較Wake島和其余各地?cái)?shù)據(jù)得出結(jié)論:在頻率0.4 Hz～6 Hz范圍,海洋環(huán)境噪聲等級(jí)隨風(fēng)速呈正相關(guān),風(fēng)速每增加1 m/s,噪聲等級(jí)增加2 dB;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到某值時(shí),海洋環(huán)境噪聲“飽和”不再隨風(fēng)速的增加而增加,而是以斜率約為-23 dB/倍頻程變化,其中在4 Hz時(shí),噪聲等級(jí)為75 dB。該噪聲等級(jí)變化的斜率又被叫做“Holu譜”。

綜上,依據(jù)該文獻(xiàn),表4整理了0.1 Hz～10 Hz范圍的海洋環(huán)境噪聲,其中0.4 Hz～6 Hz根據(jù)“Holu譜”計(jì)算,其余為74號(hào)水聽器和20號(hào)水聽器在Wake島實(shí)際測(cè)量的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)(詳見文獻(xiàn)[16]圖7)。圖13的虛線由該表數(shù)據(jù)點(diǎn)用直線連接繪制而成。

表4 Wake島附近實(shí)測(cè)海洋環(huán)境噪聲

從圖13中可以看出,本文設(shè)計(jì)的水聽器噪聲聲壓實(shí)際測(cè)量結(jié)果在0.1 Hz～6 Hz范圍比文獻(xiàn)[9]中整理的海洋環(huán)境噪聲低,對(duì)海洋甚低頻聲波的檢測(cè)有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

針對(duì)甚低頻水聽器的高輸出阻抗的特點(diǎn)和甚低頻低噪聲的要求,本文設(shè)計(jì)了一種由高輸入阻抗JFET管分立元件組成的前置放大器,并且利用經(jīng)典的En-In噪聲模型分析了該放大器和壓電水聽器中各噪聲源的影響。通過對(duì)關(guān)鍵器件選型等設(shè)計(jì)了基于甚低噪聲JFET管的甚低頻水聽器。測(cè)試了前置放大器本底噪聲、頻率響應(yīng)特性,并對(duì)甚低頻壓電水聽器的靈敏度、本底噪聲和頻率響應(yīng)特性進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明:該水聽器的頻率響應(yīng)下限達(dá)到了0.06 Hz,靈敏度為-166 dB,其等效噪聲聲壓級(jí)在0.1 Hz達(dá)到了150 dB,低于甚低頻段的海洋環(huán)境噪聲。