声矢量传感器研究进展

声矢量传感器由传统的无指向性声压传感器和偶极子指向性质点振速传感器复合而成,可以同步共点测量声场中一点处的声压和质点振速若干正交分量,由此得到的幅度和相位信息为解决一些水声问题提供了新的思路。因其实际的和潜在的工程应用价值,所以在最近十年间与此相关的声矢量传感器技术备受水声界关注。本文尝试综述声矢量传感器技术近五十年间在物理基础、传感器设计制作、相关工程应用等各方面的发展历史、现状和所取得的一些研究进展。

声矢量传感器作为一种新型的水声测量设备,不但可以测量声场中最常见的标量物理量—声压,而且还可以直接、同步测量声场同一点处流体介质质点振速矢量在笛卡儿坐标系下的x,,,:轴向投影分量,一般多用三分量和二分量的形式。在结构上它由传统的无指向性的声压传感器和偶极子指向性的质点振速传感器复合而成,质点振速传感器是核心部件,其灵敏度的高低和工作的稳定性等制约声矢量传感器的设计、制作、加工、装配、校准和使用等诸多环节。尽管本文把这种类型的传感器统一称为声矢量传感器,但国内外对此有着不同的称谓,主要的如,俄罗斯将质点振速传感器称为矢量接收器(vectorer-ceiver),将声矢量传感器称为复合接收器(conlbinederceiver);美国等将声矢量传感器还称为声压一振速传感器(presure一veloeitysensororp一Vsensor),还有的称其为声强探头(soundintensityprobe)。声矢量传感器技术的主要应用领域可以覆盖水声警戒声呐、拖曳线列阵声呐、舷侧阵共形阵声呐、水雷声引信、鱼雷探测声呐、多基地声呐、水下潜器的导航定位、分布式传感器网络等。在空气声学中,声矢量传感器可以用于战场警戒探测直升机和隐形飞机,噪声源识别和声强、声功率测量等,此外还有电磁矢量传感器,它的信号处理形式与水声的类似,可以互相借鉴。

声矢量传感器技术是在最近十年间备受水声界关注的研究焦点之一。从上一世纪五十年代中期美国学者发表的有关使用惯性传感器直接测量水中质点振速的经典论文以来ll[,到在上一世纪七八十年代前苏联的学者利用其研制成功的声矢量传感器(复合水听器)开展海洋环境噪声研究z[],直至上一世纪九十年代声矢量传感器技术研究热潮才逐渐兴起。年俄国学者出版了世界上第一部有关声矢量传感器技术的专着“声学矢量一相位方法,较全面地论述了声矢量传感器技术的原理和应用。1991年的美国声学杂志第89卷第3期和第90卷第2期连着刊出美俄两国学者三篇有关声矢量传感器研究方面的论文,这种情况以前未曾有过。该技术所蕴含的潜在军事应用前景促使美国海军研究局(ONR)于1995年资助美国声学学会举行声矢量传感器专题研讨会,并出版了题为“声质点振速传感器:设计、性能和应用”的论文集,它基本反映了当前美国学者在这一领域的研究动态,但迄今为止,它仍是该领域研究的最有价值的参考资料之一,也非常有力地推动了该领域的研究。1997年俄国学者出版的专着“复合水声接收器”s1自成体系,专门论述声矢量传感器的设计、制作和校准等。2001年美国海军水下战中心(NUWC)举办了关于指向性声传感器的研讨会,首次邀请俄国学者参加。2002年IEEE的OCEANS设立了“声质点振速传感器”专题网,内容涉及低频、高频声矢量传感器的设计、制作和实验,声压和声质点振速的联合信息在匹配场处理中的性能等,这些都反映了最新的研究情况。2003年出版的“海洋矢量声学”,发展了海洋环境噪声的声压标量场特性的研究,提出了基于声矢量传感器的海上实验、数据处理以及理论分析等一整套方法。尽管在美国最早出现了基于惯性传感器的现代声矢量传感器设计思想和制作样品的雏形,但在Rzhevikn和Zakharov的积极倡议和推动下俄国在声矢量传感器技术的基础研究和应用研究两方面要走得更远些,而且还被评为俄罗斯二十世纪十大水声技术之一。

国内的相关工作可追溯到上一世纪九十年代初有关声压梯度水听器和双水听器声强测量等研究工作。但真正较深入开始研究的时间在1998年以后,1998年松花湖实验和2000年大连海试是国内最早的两次关于声矢量传感器技术的外场实验,随后的2002年密云水库实验和2003年东海、南海声矢量传感器线阵实验,作者都有幸参加了这些实验和相关研究工作。

测量声场质点振速的想法很早就有:Rayilegh于1882年在其着名的文章中已经演示了测量声波均方质点振速的可能性,并以此确定声强,这种装置就是空气声学中常说的Rayilehg盘。之后的Olsen等l人都试图测量声能流密度,但由于质点振速测量的复杂性,这些努力没有得到真正的回报。而现在水声工程中所采用的大多数声矢量传感器工作原理、基本形式和主要的设计理念均基于eLisle等人的观点,因此本文重点阐述从1956年之后直到现在,即2004年的声矢量传感器技术的发展过程以及所取得的一些有价值的研究成果。

鉴于声矢量传感器技术作为一种新兴的水声技术,试图全面综述其过去和现在的技术状态都是比较困难的,尽管如此但这也从另一个侧面反映了声矢量传感器技术涉及到的许多理论性和工程性问题非常值得深入研讨。正如文献12所写的那样,声矢量传感器水声应用才刚刚新兴,还需要做许多工作以评估这类传感器的优势,但显而易见,通过测量完整的声场物理量(即声压标量和质点振速矢量)重新深入研究这一课题是非常有益的。作者力求本文立足于能够客观、全面地反映问题,希望能够为正在从事或即将从事该方向研究的科研学者提供些许帮助。本文首先综述声矢量传感器技术的物理基础,回答为什么需要声矢量传感器,它的应用基础在哪等类似的概念性问题;然后是传感器自身的发展概况,从中可以体会到,如何才能拥有高性能的声矢量传感器;最后是基于声矢量传感器及其阵列的信号处理技术,从理论和实验两方面综述声矢量传感器工程应用的这一重要基础。限于篇幅,本文重点综述前两点,至于后者则单独成文在后续文章中给出。

物理基础

声矢量传感器作为水声物理量的测量设备,其出现、发展和应用都与水声物理基础息息相关,本节从声能流密度、指向性传感器、信号声压和质点振速之间的相干性、噪声声压和质点振速之间的空间相关性四个方面分别阐述声矢量传感器原理和应用的物理背景。

声能流密度

由传统的声压水听器测量可以得到声场势能密度,这是最常用的声场能量形式,但是声矢量传感器除此之外还可以得到声场动能密度和声能流,这些概念对于正确理解声矢量传感器测量结果至关重要,而且往往被忽视,因此有必要作简要的概述,而更系统、具体的理论可参见文献56。

对于水声学的正问题求解而言,基于速度势的简谐声场理论已经相当完善,原则上可以通过求解含边界条件的亥姆霍兹方程,只要存在速度势函数少的解析形式,就可以完整地确定声压。

声场的绝大多数研究是集中在与声压有关的声波势能密度上,而在与质点振速有关的声波动能密度和声能流密度方面的相应研究甚少,讨论的也仅仅是一些简单的情况,如平面行波场、驻波场,球面行波场,简单波导声场等。从上述声能守恒方程中可以看出,声能流密度更适合于揭示声波能量“流动”的一般性规律叫。为什么会出现这些现象?归结到一点,那就是缺少相应的质点振速测量设备,在没有声矢量传感器出现之前,基于声压水听器的水声测量技术已经相当完善,这是造成许多水声学正问题求解以声压量和声压势能密度为研究对象的根本原因,因为实验测量是水声学研究的物理基础。由此推想到水声学反问题,出现声压水听器占据统治优势也就不足为奇。是否声学研究的初期就忽视了这些问题?事实显然不是这样的。继Rayilegh于1884年提出测量声波质点振速以来,之后的Olsen等人都试图测量声能流密度,但由于质点振速测量的复杂性使得研究一筹莫展,这种情况一直持续到eLisle等人的论文发表。

正因为声能流密度或声强概念在声矢量传感器技术中有着特殊的地位,所以需要进一步认识它的一些应用形式和所对应的物理意义。

指向性传感器

传感器的指向性是抑制噪声和干扰的主要指标,常用的声压水听器是无指向性的,即全向接收,不具有噪声和干扰的抑制能力,而声矢量传感器所包含的质点振速传感器则刚好相反,且其尺寸远小于波长。因此除了声能流密度测量需要之外,声矢量传感器还可以利用其良好的低频指向性仅在声场一点处就能够确定声源的方位,而所需的孔径远小于声波波长。

声矢量传感器

本节综述声矢量传感器的一般性分类、工作原理、结构特点、设计原则和性能参数等,对穿插其中的声矢量传感器发展历史也做了简要的概述。

一般性分类

质点振速传感器是声矢量传感器的核心部件,因此,矢量传感器的分类主要是指质点振速传感器的分类,它原则上分为声压梯度式和惯性式两种类型.惯性式是指将惯性传感器,如加速度计等对振动敏感的传感器安装在刚性的球体、圆柱体或椭球体等几何体中,当有声波作用时,刚性体会随流体介质质点同步振动,其内部的振动传感器拾取相应的声质点运动信息,因此亦称为同振式。声压梯度式多是利用空间两点处声压的有限差分的原理来近似得到声压梯度,这可以通过反相串并联的线路连接在传感器内部实现,而声压梯度与介质质点的加速度之间的关系由Euler公式确定,通过计算间接得到介质质点振动信息。惯性式声矢量传感器是对简谐声场中介质质点振动真正意义上的直接测量.由于这两类声矢量传感器的工作机理的差异,则相应的性能参数也明显地不同。一般情况下都习惯将惯性式质点振速传感器统称为质点振速传感器,而无论测量的物理量是声压梯度、质点位移、质点振速,还是质点加速度,但有时根据需要把质点振速传感器细分为声压梯度式、质点位移式、质点振速式和质点加速度式,后两者应用更为普遍.根据所测量的上述物理量投影分量数目,质点振速传感器可以分为:单通道、双通道和三通道,相应地,声矢量传感器有二通道、三通道和四通道。根据换能器的换能原理,质点振速传感器可以分为:压电式、动圈式、电容式、光纤式、磁致伸缩式等。目前总体上看,基于电容、磁致伸缩、光纤换能器的质点振速传感器研究并不普遍,压电式的质点振速传感器因其性能稳定可靠仍占据着当前研究和应用的主导地位。

声压梯度传感器

声压梯度传感器通常有两种设计理念。最自然的声压梯度传感器是两个小间距分离的无指向性传感器,反相接线使得信号相减,这一理念作为双传声器技术常用于空气声强和阻抗测量,但要注意到,这些只对灵敏度和相位绝对匹配的传感器有效(或通过校准来匹配)且间距远小于波长使由Euler方程得到的有限差分近似误差最小。这种思想体现在自上一世纪七十年代起盛极一时的双传声器声强探头,在水声中一般称为双水听器探头。因为在继Rayilegh提出测量质点振速的想法之后所进行的尝试由于质点振速测量的复杂性和当时技术条件的限制使得研究人员不得不暂时打消直接测量质点振速的念头,继而转向采用这样间接的方法得到质点振速和声能流密度。总体上看,这一时期的声压梯度水听器主要存在两个致命缺陷:一是灵敏度偏低,只能在信噪比较高的条件下使用,如声源的近场声强测量等;二是性能参数不稳定,严重依赖于材料、结构和制作工艺等。很自然地,这大大限制了它的工程应用。尽管后来将分离的一对或多对声压传感器封装在同一个壳体中,如将压电陶瓷柱沿圆周均匀分成四份,或将压电陶瓷球壳均匀分成四份的多模球等,虽然使能稳定性有了显着的改善,但灵敏度依然太低,指向性也不是很理想,且随频率变化.这类声压梯度水听器较成功的应用实例是航空无线电声呐DIFAR浮标AN/BQQ一53。另一种声压梯度传感器的设计理念是使隔开的弯曲传感器两侧(即双迭片)都受到声波作用,使得纯的电压输出对应于穿过弯曲元件的声压之差。时至今日,还有一些研究人员在此方向继续尝试,随着材料的进步并通过良好的设计和工艺基本上可以保证声压梯度水听器可靠的工作,尽管如此但随着惯性式声矢量传感器的研制成功,它基本上被排斥在当前声矢量传感器研究的主流之外,因为现在商业化的微型加速度计具有更高的灵敏度、更稳定可靠的性能。

声压梯度传感器实际上是直接测量空间小尺度上的多点声压标量,然后通过线路的反相并联或串联来得到声压梯度的有限差分近似,这与直接测量质点振速和质点加速度的质点振速传感器机理显着不同,因此,有人认为所谓的“声压梯度”传感器不应该列入到真正的直接测量声场质点振速的质点振速传感器中,而作为它的过渡角色可能更合适。

同振式声矢l传感器

在现代水声工程中使用频度较高的一类声矢量传感器是基于惯性传感器的同振式传感器,它的主要优点在于,本身不产生明显的声场畸变,即可以视为点接收器,因此它的指向性比固定式的要好,而且性能参数更稳定,可以用于精确或长时间测量,在不同的应用中,同振式声矢量传感器的平均密度为0.9~1.59/em3。

有关惯性式声矢量传感器的工作最早出现在海军军械实验室(NvaalOrdnaneeLaboratory)Leslie等人的工作川,他们推导了刚硬、均匀球体在理想水介质声场中运动的数学表达式并证明,这类中性浮力的球体在低频运动时具有与相同位置处水质点相同的振速。

现在商业加速度计在10Hz、10kHz的频带上有平坦的响应,声波对声矢量传感器悬挂系统的影响可能会成为测量声质点振速的水声惯性传感器设计的某些约束。因为实际使用时不得不将惯性传感器悬挂在某些主平台上以确保声矢量传感器悬挂系统和平台不污染测量,这对于声矢量传感器精确测量非常关键,此外还要考虑流体和壳体的密度、流体的粘性所引起的效应。同振式声矢量传感器对流噪声更敏感,在使用时尤其要注意。实验表明a0[],当流足够快以至于在传感器表面形成湍流时质点振速传感器受到的影响甚于声压传感器,但是,如果外裹橡胶层,则可以显着降低流噪声。