王小寧 張國龍

(91388部隊(duì)93分隊(duì) 湛江 524022)

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界面混響對(duì)柱形水聲換能器工作深度的影響分析*

王小寧 張國龍

(91388部隊(duì)93分隊(duì) 湛江 524022)

柱形水聲換能器作為各類海洋水聲設(shè)備的關(guān)鍵部件得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于垂直指向性開角一定的柱形水聲換能器,當(dāng)在淺水和接近海底條件下使用時(shí),海面和海底的界面混響將對(duì)其信號(hào)接收檢測產(chǎn)生嚴(yán)重干擾,是決定其工作深度范圍的主要因素。文從界面混響理論入手,對(duì)柱形水聲換能器在淺水和接近海底條件下界面混響進(jìn)行理論分析和仿真計(jì)算,定量分析對(duì)工作深度范圍的影響。

柱形水聲換能器; 界面混響

Class Number U666.7

1 引言

柱形水聲換能器憑借輻射面積大、對(duì)稱性好、結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)低、徑向耐靜水壓性能好等優(yōu)點(diǎn)[1],在水聲計(jì)量和軍用、民用各類海洋水聲設(shè)備中廣泛應(yīng)用。對(duì)于具有一定垂直指向性、利用寬脈沖信號(hào)進(jìn)行工作的收發(fā)共用的柱形水聲換能器,當(dāng)其在接近海面或海底工作時(shí),海面混響和海底混響是換能器接收目標(biāo)回波信號(hào)的主要干擾[2],影響設(shè)備對(duì)目標(biāo)信號(hào)的正常檢測,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。因此,定量分析計(jì)算柱形水聲換能器在距離海面或海底不同深度工作時(shí)的混響強(qiáng)度,有利于為水聲設(shè)備選擇適合的工作深度范圍,確保正常工作,而且有利于柱形水聲換能器設(shè)計(jì)時(shí)指向性開角指標(biāo)的確定。

本文對(duì)柱形水聲換能器在接近海面和海底工作時(shí)的海面混響和海底混響進(jìn)行理論分析和仿真計(jì)算,定量評(píng)測界面混響對(duì)柱形水聲換能器工作深度的影響。

2 仿真模型

假設(shè)有某收發(fā)共用的柱形換能器,水平指向性開角為360°,垂直指向性開角為±30°。將換能器按圖1所示布放入水,其中心軸線與海面和海底垂直,海面、海底與換能器中心點(diǎn)距離為H、H′。

當(dāng)該換能器發(fā)射一定頻率、一定源級(jí),脈寬為600ms的脈沖信號(hào)后,聲波經(jīng)過一定時(shí)間到達(dá)海面或海底,經(jīng)海面、海底反射后沿原路返回,到達(dá)換能器并被接收。如圖1所示,假設(shè)不同路徑上介質(zhì)對(duì)聲傳播的影響相同,則同一時(shí)刻聲波傳播到海面或海底并被反射時(shí),反射點(diǎn)在海面和海底上為圓形分布。初時(shí)刻該圓上任一點(diǎn)到換能器聲學(xué)中心連線長度為R,與水平面夾角為θ,經(jīng)過時(shí)間t后,反射點(diǎn)到換能器聲學(xué)中心連線長度為R′,與水平面夾角為Ф。對(duì)應(yīng)的其在海面和海底上投影成兩個(gè)同心圓,半徑分別為r、r′,產(chǎn)生混響的區(qū)域投影就是兩圓形成的圓環(huán)[3～4]。

圖1 某柱形換能器在接近海面和海底工作時(shí)的混響模型

3 理論分析及數(shù)學(xué)模型

3.1 界面混響理論

對(duì)于理想指向性圖的換能器,其界面混響級(jí)公式如式(1):

RL=SL-2TLr+S+10logA

(1)

式中SL為發(fā)射信號(hào)聲源級(jí),RL為混響級(jí),TLr為混響的傳播損失,S為界面混響的散射強(qiáng)度,A為混響面積。由聲波的球面擴(kuò)展損失公式TLr=20logr,帶入式(1)可得[5]:

RL=SL-40logr+S+10logA

(2)

式中r為聲波從換能器聲學(xué)中心傳播到海面某點(diǎn)的距離。

對(duì)于海面和海底其界面混響的散射強(qiáng)度S是不同的,下面將分別在這兩種情況下進(jìn)行討論。

3.2 海面混響的散射強(qiáng)度和計(jì)算公式

在不考慮風(fēng)速、頻率和海面粗糙度等因素影響和掠射角較小(一般小于60°)的情況下,可以使用Marsh、Schulkin和Kneale等對(duì)于粗糙表面上的返回聲源方向的散射強(qiáng)度公式[6～8]:

式中Ss為海面混響散射強(qiáng)度,θ為掠射角,g為重力加速度,A2(ω)為以圓頻率ω表示的海面起伏的“功率”譜。如果取A2(ω)=7.4×10-3g2ω-5,則可以導(dǎo)出以下公式:

Ss=-36+40logtanθ

(3)

由式(3)可以看出Ss一般隨入射聲束與散射界面之間的夾角θ(大小等于掠射角)而變,若換能器位于散射界面之上或之下一定距離,則在發(fā)射脈沖后,Ss隨距離或時(shí)間而變。

將式(3)帶入式(2)得到式(4):

RL=SL-40logr+(-36+40logtanθ)+10logA

(4)

3.3 海底混響的散射強(qiáng)度和計(jì)算公式

針對(duì)深水海底,當(dāng)聲波掠射角小于45°時(shí),Lambert定律是散射強(qiáng)度和角度之間符合得比較好的近似公式。Mackenzie根據(jù)大量實(shí)測數(shù)據(jù)得出在不同海域不同頻率下的Lambert定律關(guān)系式[9～10]為式(5):

SB=10logμ+10logsin2θ

(5)

式中10logμ根據(jù)Mackenzie等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線平均值約為-29dB。則式(5)可簡化為式(6):

SB=-29+10logsin2θ

(6)

將式(6)帶入式(2)得到式(7):

RL=SL-40logr+(-29+10logsin2θ)+10logA

(7)

4 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

4.1 海面混響仿真計(jì)算及結(jié)果分析

對(duì)于仿真模型中柱形換能器布放深度H分別取3m、5m、10m和30m,根據(jù)式(2)和式(4)進(jìn)行仿真計(jì)算。為了計(jì)算方便和圖形直觀顯示,先計(jì)算式(2)右邊后三項(xiàng)(-40logr+S+10logA),以-2TL+S+10logA表示,然后再計(jì)算混響級(jí)RL。仿真計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 海面混響仿真結(jié)果

對(duì)于發(fā)射源級(jí)為185dB的脈沖信號(hào),由圖2可知,當(dāng)-2TL+S+10logA達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),可得到表1中的計(jì)算結(jié)果。

表1 海面混響計(jì)算結(jié)果

假設(shè)水聲設(shè)備的接收靈敏度為120dB,垂直指向性開角為±30°,那么在柱形換能器布放深度小于3m情況下發(fā)射并接收600ms脈沖信號(hào)時(shí),由于海面混響級(jí)高于系統(tǒng)接收靈敏度,目標(biāo)回波信號(hào)將淹沒在海面混響雜波中而無法正常檢測;對(duì)于布放深度5m的情況,雖然混響級(jí)低于系統(tǒng)接收靈敏度,但差距較小,在實(shí)際使用過程由于換能器本身指向性和海況等因素不是理想狀況,目標(biāo)回波信號(hào)被正常檢測出的概率比較低。因此,從水聲設(shè)備可靠使用方面考慮,一般應(yīng)規(guī)定柱形換能器工作深度大于10m。

4.2 海底混響仿真計(jì)算及結(jié)果分析

對(duì)于仿真模型中換能器聲學(xué)中心到海底的距離H′分別取3m、5m、10m和30m,根據(jù)式(2)和式(7)進(jìn)行仿真計(jì)算,為了計(jì)算方便和圖形直觀顯示,先計(jì)算式(2)右邊后三項(xiàng)(-40logr+S+10logA),以-2TL+S+10logA表示,然后再計(jì)算混響級(jí)RL。仿真計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 海底混響仿真結(jié)果

對(duì)于發(fā)射源級(jí)為185dB的脈沖信號(hào),由圖3可知,當(dāng)-2TL+S+10logA達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可得到以下結(jié)果:

假設(shè)水聲設(shè)備的接收靈敏度為120dB,垂直指向性開角為±30°,那么在柱形換能器換能器聲學(xué)中心與海底距離小于30m情況下發(fā)射并接收600ms脈沖,由于海底混響級(jí)高于系統(tǒng)接收靈敏度,目標(biāo)回波信號(hào)將淹沒在海底混響雜波中而無法正常檢測。因此,從水聲設(shè)備可靠使用方面考慮,一般應(yīng)規(guī)定柱形換能器距離海底距離要大于30m。

表2 海底混響計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語

本文通過理論分析和案例仿真計(jì)算,定量分析了界面混響對(duì)柱形水聲換能器工作深度的影響,為類似水聲設(shè)備選擇適合的工作深度范圍提供了依據(jù),同時(shí)也為具有垂直指向性開角的柱形水聲換能器的設(shè)計(jì)提供了參考。

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Impact Analysis of Interface Reverberation on Cylindrical Acoustic Transducer Working Depth

WANG Xiaoning ZHANG Guolong

(Unit 93, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

The cylindrical acoustic transducer is widely used in all kinds of underwater acoustic equipments as key components. The working depth range of cylindrical acoustic transducer is determined by the interference of interface reverberation receiving signal detection when it is used in shallow and near the bottom of the sea to the cylindrical acoustic transducer with a certain vertical open angle. In this paper, the interface reverberation to cylindrical acoustic transducer is simulated and the influence to the working depth range is quantitatively analyzed.

cylindrical acoustic transducer, interface reverberation

2015年4月7日,

2015年5月26日

王小寧,男,工程師,研究方向:水聲信號(hào)處理。

U666.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.042