李 健，王 欣，陳世利,黃新敬

(天津大學(xué) 精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

0 引言

水聽(tīng)器可以在水下將聲信號(hào)有效地轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，通過(guò)處理電信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲信號(hào)的應(yīng)用，達(dá)到水下目標(biāo)探測(cè)或水下信息提取的目的[1-3]。大多數(shù)水聽(tīng)器工作在共振頻率的頻段，頻率響應(yīng)平坦，可以接收寬頻信號(hào)或用于標(biāo)準(zhǔn)水聲計(jì)量。而一些探測(cè)和通訊用的水聽(tīng)器則工作在共振頻率處，以便在特定頻率有盡可能高的靈敏度，而在其他頻率處?kù)`敏度較低，以抑制環(huán)境噪聲的干擾。

實(shí)驗(yàn)證明，在非共振范圍內(nèi)水聽(tīng)器靈敏度要遠(yuǎn)低于共振頻率周圍的靈敏度[4]，且略微依賴于頻率[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了很多利用共振現(xiàn)象來(lái)提高水聽(tīng)器靈敏度的研究。Lotsberg利用共振頻率附近的水聽(tīng)器來(lái)研究充氣氣泡的非線性發(fā)射[6]。Medeiros 利用壓電陶瓷在其共振頻率下做超聲成像，與其他頻率相比，其靈敏度更高，成像更清晰[7]。王偉研究了具有兩個(gè)共振頻率的磁電復(fù)合材料壓電陶瓷(PZT)環(huán)，提高了靈敏度和共振位移的分辨率[8]。楊曾濤等研制了新的1-3復(fù)合型壓電水聽(tīng)器，研究了壓電水聽(tīng)器的動(dòng)態(tài)模型和頻率響應(yīng)，利用共振頻率來(lái)提高對(duì)弱信號(hào)的靈敏度[9]。李世平等通過(guò)亥姆霍茲(Helmholtz)共振原理，利用液腔結(jié)構(gòu)，可以有選擇性地提高液腔結(jié)構(gòu)附近的靈敏度，更適用于窄帶應(yīng)用[10]。Sadeghpour將兩個(gè)半球殼壓電陶瓷拼接制成球形，利用其一階共振模態(tài)發(fā)射和接收超聲波進(jìn)行水下通信，其共振頻率與球殼厚度有直接關(guān)系[11]。

上述共振型水聽(tīng)器都是利用壓電陶瓷敏感元件本身的共振，其共振頻率與殼體尺寸和材料屬性有密切關(guān)系。此外，還有一些共振型水聽(tīng)器是利用殼體內(nèi)部的液體腔的共振，如工作在中低頻的Helmholtz共振腔水聽(tīng)器，共振頻率與內(nèi)部液體腔體的形狀和尺寸有關(guān)[12-14]，傳統(tǒng)水聽(tīng)器被放置在液體腔中。

本文提出了一種新型的共振空腔型水聽(tīng)器，與上述共振型水聽(tīng)器不同，利用球形封閉腔內(nèi)部的空氣腔共振，采用麥克風(fēng)來(lái)感知從球外水域透射到空氣腔內(nèi)的聲壓。該水聽(tīng)器利用共振效應(yīng)，在共振頻率附近靈敏度和信噪比高。與其他傳統(tǒng)水聽(tīng)器相比，其成本低，制作簡(jiǎn)單，可用于水下通信，水聲引信、水下測(cè)距等。

1 工作原理

設(shè)計(jì)的水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)為內(nèi)部中空的球形，球殼內(nèi)部置入麥克風(fēng)來(lái)測(cè)量從外部水域投射進(jìn)來(lái)的聲音。整體水聽(tīng)器模型如圖1所示。圖中，R1為球中空部分半徑，T為球殼厚度。

圖1 水聽(tīng)器模型

在二維軸對(duì)稱頻域仿真中，幾何模型和仿真設(shè)置如圖2所示。在聲固耦合物理場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行頻率掃描，頻率為1～40 kHz，步長(zhǎng)為200 Hz。選取空氣腔內(nèi)部M點(diǎn)繪制頻率響應(yīng)曲線。

圖2 二維軸對(duì)稱仿真模型

圖3為R1=8 mm，T=0.8 mm的水聽(tīng)器仿真得到的頻率響應(yīng)曲線。由圖可知，水聽(tīng)器在14 200 Hz、22 800 Hz、30 800 Hz處出現(xiàn)特征峰。由于水聽(tīng)器可能是在球殼和球殼內(nèi)部空氣腔兩個(gè)部分發(fā)生共振。因此，為了合理設(shè)計(jì)水聽(tīng)器的工作頻率和結(jié)構(gòu)尺寸，通過(guò)有限元仿真確定水聽(tīng)器的共振頻率來(lái)源于球殼還是球內(nèi)空氣腔。

圖3 頻率響應(yīng)曲線

對(duì)T=0.8 mm的球殼在固體力學(xué)物理場(chǎng)進(jìn)行特征頻率的仿真；對(duì)R1=8 mm的空氣腔使用圖1所示模型在壓力聲學(xué)物理場(chǎng)進(jìn)行特征頻率的仿真。分別將兩者仿真得到的特征頻率與頻率響應(yīng)曲線的特征峰做對(duì)比，如表1所示。

表1 特征頻率對(duì)比

由表1可知，頻率響應(yīng)特征峰與空氣腔特征頻率接近，與球殼特征頻率有較大偏差。圖4、5分別為掃頻獲得的特征頻率處的聲場(chǎng)分布及模態(tài)分析獲得的空氣腔在特征頻率的聲場(chǎng)分布。由圖4、5可知，二者的聲場(chǎng)分布基本相同。因此，該水聽(tīng)器的共振頻率只與空氣腔有關(guān)，與球殼振動(dòng)無(wú)關(guān)。

圖4 二維軸對(duì)稱仿真特征峰聲場(chǎng)分布

圖5 空氣腔仿真特征頻率模態(tài)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證水聽(tīng)器共振頻率與球殼無(wú)關(guān)，在不改變水聽(tīng)器空氣腔半徑的情況下，改變球殼厚度，得到在不同球殼厚度下球內(nèi)空氣腔的頻率響應(yīng)曲線，如圖6所示。球殼厚度的改變使球殼因剛度改變，其共振頻率必然改變，但球內(nèi)空氣腔的共振頻率未改變。因此，該水聽(tīng)器的工作頻率只與球內(nèi)空氣腔的尺寸有關(guān)。

圖6 不同厚度下特征頻率仿真

得出此結(jié)論后對(duì)其他尺寸水聽(tīng)器進(jìn)行有限元仿真來(lái)證明其規(guī)律的普遍性。有限元仿真分別計(jì)算了R1=5 mm、16 mm的水聽(tīng)器。仿真得到的頻率響應(yīng)曲線如圖7、8所示，分別將掃頻曲線特征峰處的聲場(chǎng)與空氣腔特征頻率的聲場(chǎng)相比，如圖9～12所示。由圖可知，頻率響應(yīng)特征峰與空氣腔特征頻率接近，對(duì)應(yīng)的聲場(chǎng)分布幾乎相同，水聽(tīng)器共振頻率只與空氣腔特征頻率有關(guān)，與R1=8 mm水聽(tīng)器仿真結(jié)論相同。

圖7 R1=5 mm水聽(tīng)器頻率響應(yīng)曲線

圖8 R1=16 mm水聽(tīng)器頻率響應(yīng)曲線

圖9 R1=5 mm二維軸對(duì)稱仿真特征峰聲場(chǎng)分布

圖10 R1=5 mm空氣腔仿真特征頻率模態(tài)

圖11 R1=16 mm二維軸對(duì)稱仿真特征峰聲場(chǎng)分布

圖12 R1=16 mm空氣腔仿真特征頻率模態(tài)

在得到水聽(tīng)器共振頻率只與空氣腔有關(guān)的結(jié)論后，保持T不變，利用仿真參數(shù)化掃描功能改變R1，探究球內(nèi)部空氣腔與水聽(tīng)器一階共振頻率的關(guān)系，結(jié)果如圖13所示。有限元仿真表明，隨著R1變大，球的一階共振頻率顯著下降，二者互為倒數(shù)。

圖13 特征頻率與空氣腔半徑的關(guān)系

2 傳感器制作

本設(shè)計(jì)中使用的微型水聽(tīng)器是將麥克風(fēng)芯片電路封裝在一個(gè)空心球殼中。空心球殼使用 3D 打印的方式加工，方便快捷，成本較低，打印材料為光敏樹(shù)脂，透聲性良好。麥克風(fēng)芯片被固定在球內(nèi)，信號(hào)引腳通過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)線從小球上的孔中伸出來(lái)。仿真時(shí)可發(fā)現(xiàn)球內(nèi)聲場(chǎng)不均勻，因此，制作小球時(shí)，麥克風(fēng)需準(zhǔn)確固定在小球球體的正中心位置，圖14為水聽(tīng)器制作與實(shí)物圖。

圖14 水聽(tīng)器制作與實(shí)物

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

上位機(jī)通過(guò)NI數(shù)據(jù)采集卡發(fā)射5～40 kHz激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器放大后，輸入到換能器中發(fā)射。將制作好的水聽(tīng)器放置在水缸中心處，通過(guò)采集卡采集水聽(tīng)器的輸出信號(hào)，傳入電腦進(jìn)行后處理，得到頻率響應(yīng)曲線。圖15為實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖15 實(shí)驗(yàn)裝置

圖16 實(shí)驗(yàn)測(cè)量頻率響應(yīng)

由于用于聲源發(fā)射的換能器和球內(nèi)接收信號(hào)的麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)不平坦，因此需要進(jìn)行歸一化處理，消除換能器與麥克風(fēng)對(duì)水聽(tīng)器頻率響應(yīng)的影響后得到實(shí)際頻率響應(yīng)曲線。圖16、17分別為實(shí)測(cè)水聽(tīng)器頻率響應(yīng)曲線及其局部曲線圖，其測(cè)量得到的特征峰頻率為14 300 Hz、22 600 Hz、30 800 Hz，與表1的仿真結(jié)果接近。

圖17 實(shí)驗(yàn)測(cè)量頻率響應(yīng)局部

3.2 靈敏度與信噪比

測(cè)量靈敏度時(shí)，聲源發(fā)射頻率根據(jù)水聽(tīng)器的頻率響應(yīng)曲線選擇。實(shí)驗(yàn)選取了水聽(tīng)器接收信號(hào)最大時(shí)的頻率(30.8 kHz)。將標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器與所設(shè)計(jì)的水聽(tīng)器放在一起，進(jìn)行不同聲壓的靈敏度測(cè)試，以前者為參照計(jì)算得到共振腔水聽(tīng)器的靈敏度。其中，在前置放大倍數(shù)為30 dB時(shí),標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器TC4013的靈敏度為0.84 mV/Pa(通過(guò)其數(shù)據(jù)手冊(cè)獲得)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不同的聲源激勵(lì)峰值電壓下(10～400 V)，共振腔水聽(tīng)器的靈敏度為8.03～8.62 mV/Pa(見(jiàn)圖18)，較穩(wěn)定。測(cè)試結(jié)果表明,共振腔水聽(tīng)器靈敏度約為標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器靈敏度的10倍，且在信號(hào)較小時(shí)靈敏度更大，這有利于微小信號(hào)的測(cè)量。

圖18 靈敏度

在有限元仿真中，分別采用光敏樹(shù)脂、鋁合金和不銹鋼作為球殼材料，測(cè)量球內(nèi)同一位置的聲壓，在30.8 kHz下，聲壓分別為0.886 00 Pa、0.084 103 Pa和0.028 700 Pa，表明光敏樹(shù)脂材料球殼水聽(tīng)器的靈敏度是鋁合金材料球殼水聽(tīng)器的10.5倍，是不銹鋼材料球殼水聽(tīng)器的30.8倍。不銹鋼和鋁合金透聲性差，靈敏度較低，但硬度高，在水中更耐壓，而光敏樹(shù)脂透聲性好，用它做球殼材料的水聽(tīng)器靈敏度高，但硬度較低。在使用中可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇球殼材料。

聲源發(fā)射信號(hào)后，用共振腔水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器同時(shí)接收信號(hào)來(lái)比較兩者的信噪比。隨著換能器的激勵(lì)電壓變大，發(fā)射信號(hào)變大，信噪比提高(見(jiàn)圖19)。在信號(hào)較小時(shí)，共振腔水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的信噪比均較小。整體來(lái)看，共振腔水聽(tīng)器與標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的信噪比差距很小，共振腔水聽(tīng)器的信噪比比標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器信噪比高5 dB。

圖19 信噪比曲線圖

3.3 時(shí)域響應(yīng)

為了獲得水聽(tīng)器的時(shí)域響應(yīng)，使用換能器發(fā)射超聲調(diào)制脈沖信號(hào)，采用的信號(hào)公式為(1-cos(2×pi×f/n×t))×sin(2×pi×f×t)×(t12，這是因?yàn)槁曇粼谒變?nèi)被水缸壁多次反射的結(jié)果。

圖20 時(shí)域信號(hào)

圖21 時(shí)域信號(hào)局部

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用共振空氣腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型的低成本、高靈敏度水聽(tīng)器。通過(guò)有限元分析，證明該水聽(tīng)器共振頻率只與空氣腔有關(guān)、與殼體無(wú)關(guān)，并實(shí)驗(yàn)證明了上述分析的正確性。實(shí)驗(yàn)表明，共振空氣腔結(jié)構(gòu)的水聽(tīng)器在其頻率響應(yīng)的特征峰處可有更高的靈敏度和信噪比。優(yōu)良的頻率選擇和放大作用使其特別適用于水聲通信、水下測(cè)距、水下探測(cè)等窄帶應(yīng)用場(chǎng)合。通過(guò)調(diào)整空氣腔尺寸可以靈活和準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)水聽(tīng)器的共振頻率，以滿足不同的工作頻率需求。