懸浮式反魚雷深彈的矢量水聽器設(shè)計

劉清慧，鄧南明，王　昊

（中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江，524022）

懸浮式反魚雷深彈的矢量水聽器設(shè)計

劉清慧，鄧南明，王昊

（中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江，524022）

為實(shí)現(xiàn)對來襲魚雷的攔截，文中對懸浮式反魚雷深彈可能采用的柱形矢量水聽器進(jìn)行了設(shè)計。首先，以剛性擺動柱形接收器聲波接收響應(yīng)模型為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了同振柱型矢量水聽器的測量原理；通過計算機(jī)仿真，分析了采用壓電加速度計的同振柱型矢量水聽器相關(guān)參數(shù)的相互影響關(guān)系；最后選取設(shè)計了滿足懸浮式反魚雷深彈使用需求的矢量水聽器技術(shù)性能參數(shù)。研究表明，在靈敏度和相位差條件允許的情況下，適當(dāng)放寬對聲學(xué)剛性運(yùn)動柱體的幾何尺寸要求，有利于懸浮式反魚雷深彈中的同振矢量水聽器的設(shè)計。

懸浮式反魚雷深彈；矢量水聽器；同振柱型

0　引言

矢量水聽器技術(shù)作為一種新興的對目標(biāo)進(jìn)行探測定位的技術(shù)手段，在魚雷報警等軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)學(xué)者已展開這方面的研究工作。王國偉討論了利用矢量水聽器的魚雷定位浮標(biāo)與火箭深彈相結(jié)合攔截來襲魚雷，提出在懸浮式深彈上應(yīng)用矢量水聽器對來襲魚雷實(shí)施硬殺傷的攔截技術(shù)［1］。李倩研究了將單只矢量水聽器應(yīng)用于懸浮式火箭彈上探測來襲魚雷的運(yùn)動參數(shù)，通過效能分析，發(fā)現(xiàn)主動攻擊式反魚雷毀傷概率較被動等待方式有明顯提高［2］。張巍對在水下有限障板環(huán)境下使用時，矢量水聽器的聲場特性及矢量信號處理技術(shù)進(jìn)行了研究［3］。盧中新結(jié)合矢量水聽器技術(shù)對魚雷空投入水信號進(jìn)行研究，對入水信號進(jìn)行檢測和特征提取，為防御空投魚雷做出了有益的探索［4］。徐梁等人對利用矢量水聽器技術(shù)的懸浮式深彈的工作原理進(jìn)行了研究，利用互譜算法測量魚雷噪聲方位變化率，建立了懸浮式深彈的作戰(zhàn)使用模型［5］。馬錦垠闡述了基于矢量水聽器陣的火箭助飛魚雷落點(diǎn)的測量方法及采用的主要技術(shù)［6］。

但針對懸浮式反魚雷深彈中的矢量水聽器的設(shè)計目前還少有介紹。矢量水聽器的工作頻帶應(yīng)符合懸浮式反魚雷深彈對來襲魚雷的探測，其體積應(yīng)適合安裝在懸浮式深彈的殼體內(nèi)。

基于此，文中研究了懸浮式反魚雷深彈可能采用的柱形矢量水聽器，詳細(xì)分析了同振柱型矢量水聽器的測量原理，并借助MATLAB畫圖來討論設(shè)計過程中各參數(shù)的選取，提出了采用壓電加速度計的同振柱型矢量水聽器相關(guān)參數(shù)的選取方法，選取了適合懸浮式反魚雷深彈的矢量水聽器性能參數(shù)，探討了該型矢量水聽器的設(shè)計方法。

1　懸浮式反魚雷深彈的矢量水聽器設(shè)計原理

矢量水聽器通常由1個聲壓水聽器和3個相互正交的振速型（或加速度型）水聽器構(gòu)成，能同時測量聲壓和振速的3個正交分量，通過綜合利用聲壓和振速信息的關(guān)聯(lián)和差別，可在低頻、小尺度陣形下獲得一定空間增益，給出水下目標(biāo)精確的方位信息，且在一定條件下其指向性與頻率無關(guān)［2，7-8］。因此，在懸浮式反魚雷深彈中裝載矢量水聽器，可充分利用魚雷輻射譜中既有寬帶成分又有窄帶的線譜、時變方位和時變多普勒等特性，通過功率譜估計、低頻分析和記錄（low frequency analyzing and recording，LOFAR）、噪聲包絡(luò)調(diào)制檢測（detection of envelop modulation on noise，DEMON）、時間-頻率分析（time-frequency analysis，TFA）等方法，可有效檢測、識別、定位和攔截來襲魚雷［1］。

根據(jù)一般懸浮式深彈的實(shí)際情況，文中設(shè)計的同振型矢量水聽器外殼相當(dāng)于剛性外殼，因此在分析問題時，可以把其接收性能看作聲場中的剛硬柱在聲波作用下的散射問題。圓柱接收器表面的聲壓不再等于自由聲場聲壓，而等于自由場聲壓與散射波聲壓之和［9］。

建立如圖 1所示柱坐標(biāo)系，設(shè)平面波沿x軸方向入射，圓柱為單位長度1，半徑為a，則入射波聲壓

換成以柱坐標(biāo)系表示，則有

式中: p0表示單頻入射平面波場中聲壓的幅值；k=ω/c為入射聲波的波數(shù)，ω為入射聲波的角頻率，c為水介質(zhì)中的聲速。

把入射平面波分解為柱面波疊加，可得

式中: εn為待定常數(shù)為貝塞耳函數(shù)。

圖1　剛性擺動柱形接收器模型Fig.1　Model of rigid cylindrical swing receiver

散射波聲壓ps是φ的偶函數(shù)，且ps與z無關(guān)，則ps取柱面函數(shù)通解中以下形式解

式中:bn為常復(fù)數(shù)，決定于邊界條件，它決定柱的散射能量在不同階柱面散射波中的分配情況；為第2類漢克爾函數(shù)。

入射波和散射波應(yīng)滿足邊界條件，即徑向振速之和等于零，且

將式（3）和式（4）代入式（5），得

于是散射波場中聲壓

由式（3）和式（7）得圓柱接收器表面任一點(diǎn)聲壓

假設(shè)柱在x方向擺動，因此介質(zhì)對柱擺動的合成阻力在x軸方向。在流體中，介質(zhì)的壓力是沿半徑方向作用于柱面，因此沿x方向合力應(yīng)乘以cosφ，于是作用在單位長度柱面沿x方向的作用力為

將式（8）代入式（9），因?yàn)?/p>

故，式（9）可化簡為

根據(jù)聲學(xué)理論基礎(chǔ)，接收器的接收面在聲波作用下會產(chǎn)生振動，則作用在接收器表面的作用力F與其接收面的實(shí)際振速v間存在以下關(guān)系

式中: Zm為接收系統(tǒng)的機(jī)械阻抗；Zs為二次輻射的輻射阻抗。

將剛性運(yùn)動柱體的二次輻射看作是擺動柱的輻射問題，則根據(jù)擺動柱的輻射阻抗求得

式中: ρ0為水介質(zhì)密度；c為聲速。

已知

則式（13）可表示為

接收系統(tǒng)的機(jī)械阻抗

將式（11），式（15）和式（16）代入式（12），則水中剛性運(yùn)動柱體在x軸方向的振動速度為

根據(jù)柱函數(shù)性質(zhì)

將式（18）代入式（17），可將式（17）簡化得

將式（21）代入式（20）中，則聲學(xué)剛性運(yùn)動柱體在水下聲場的作用下做自由運(yùn)動時，剛性柱體x軸方向的振速幅值vx與聲場中柱體幾何中心處水質(zhì)點(diǎn)的振速幅值 v0及其相位差φ之間存在以下關(guān)系

如果聲學(xué)剛性運(yùn)動柱體的幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長，即ka? 1，那么

由式（22）可知，當(dāng)剛性球體的平均密度ρ等于水介質(zhì)密度ρ0時，其振速幅值 vx與聲場中柱體幾何中心處水質(zhì)點(diǎn)振速 v0相同，而相位差趨于0。式（22）是同振型矢量傳感器在設(shè)計時的重要依據(jù)，其成立的前提條件是，即，這一條件在工藝上很難實(shí)現(xiàn)，特別是對于高頻聲場情況。因此，通過式（20）并借助計算機(jī)對同振柱型矢量水聽器的半徑a與聲波波長λ比值、平均密度與水介質(zhì)密度ρ0比值以及矢量水聽器振速幅值 vx與水質(zhì)點(diǎn)的振動速度 v0比值之間的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2　同振柱型矢量水聽器振速幅值特性曲線Fig.2 Amplitude characteristic curves of co-oscillating cylindrical vector hydrophone

圖3　同振柱型矢量水聽器相位特性曲線Fig.3 Phase characteristic curves of co-oscillating cylindrical vector hydrophone

通過仿真繪圖可知, 隨著矢量水聽器的半徑a與聲波波長λ比值的增大, 同振柱型矢量水聽器的振速幅值逐漸降低, 相位差φ逐漸增大, 且相位的變化幅度遠(yuǎn)大于）的變化幅度。同時, 隨著矢量水聽器的平均密度與水介質(zhì)密度比值的增大,）逐漸降低, φ也有明顯變化。所以, 在同振柱矢量水聽器的設(shè)計過程中, 要綜合考慮v/ v0, ρ/ ρ0, φ和a/λ這4個參數(shù)。

2　矢量水聽器參數(shù)選取與結(jié)構(gòu)設(shè)計

在矢量水聽器的設(shè)計中，除了需考慮水聽器半徑（尺寸）、密度以及工作頻率，也要兼顧其相頻特性和幅頻特性。同振型振速水聽器幾何尺寸、平均密度對其頻響特性、靈敏度有以下幾方面的影響。

l） 水聽器半徑影響其上限工作頻率，而水聽器密度對其上限工作頻率也具有一定的調(diào)控作用，對高頻矢量水聽器的設(shè)計尤為明顯。

2） 在水聽器設(shè)計工作頻率范圍內(nèi)，其密度對測量質(zhì)點(diǎn)振速的相位影響較小。

3） 水聽器密度影響著其測量振速的幅值，即影響水聽器靈敏度的大?。?0-11］。因此，在同振型矢量傳感器的設(shè)計中，首先應(yīng)該考慮其內(nèi)部傳感器的靈敏度和工作頻帶，這直接影響矢量水聽器的聲壓靈敏度和工作頻帶；其次考慮傳感器的外形尺寸和重量，這影響著矢量水聽器的外部尺寸和密度；最后選擇密度低于水低密度的復(fù)合型材料對矢量水聽器進(jìn)行封裝，以保證矢量水聽器的密度與水的密度接近［12］。

懸浮式反魚雷深彈的設(shè)計探測頻率上限為1 kHz，因此矢量水聽器的上限頻率為 1 kHz，設(shè)計矢量水聽器振速通道的聲壓靈敏度為-179 dB測試頻率為1kHz），故

根據(jù)聲壓靈敏度與加速度靈敏度的關(guān)系，得

因此，矢量水聽器選用國產(chǎn)壓電式內(nèi)置集成電路加速度計，其加速度靈敏度為2 600 mV/g，工作頻帶在10～2 000 Hz，橫向靈敏度小于5%。

懸浮式反魚雷深彈的探測頻帶上限為1 kHz，其矢量水聽器采用壓電加速度計設(shè)計同振柱型矢量水聽器，工作頻帶為10～2 000 Hz，振速通道的聲壓靈敏度設(shè)計為-179 dB，根據(jù)靈敏度公式，計算出加速度計的靈敏度為2 600 mV/g，橫向靈敏度要求小于5%。

鑒于懸浮式反魚雷深彈的艏部有一定的線度尺寸（內(nèi)徑為0.3 m左右），且矢量水聽器需要彈性懸掛在剛性框架上，因此設(shè)計矢量水聽器的外部半徑（尺寸）為0.05 m，設(shè)計為柱形。矢量水聽器的平均密度與水相等，振速幅值和相位在聲源頻率1 kHz以下時基本與水質(zhì)點(diǎn)振速一致。

3　結(jié)束語

文中以懸浮式反魚雷深彈中可能裝載的同振柱型矢量水聽器的設(shè)計原理為基礎(chǔ)，分析了采用壓電加速度計的同振柱型矢量水聽器相關(guān)參數(shù)的相互影響，得出在靈敏度和相位差條件允許的情況下，適當(dāng)放寬對ka? 1的要求，更有利于懸浮式反魚雷深彈中的同振矢量水聽器的設(shè)計。當(dāng)然，在懸浮式反魚雷深彈的實(shí)際研制中，為保證其平均密度與水相等，矢量水聽器的高度還需根據(jù)所采用低密度復(fù)合材料密度和加速度計質(zhì)量等具體情況進(jìn)行調(diào)整和最終確定。

［1］ 王國偉．魚雷報警與攔截技術(shù)研究［D］．哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)，2003．

［2］ 李倩．懸浮攻擊式火箭反魚雷技術(shù)研究［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30（5）: 63-66． Li Qian.Anti-torpedo Technique Research with Suspension Attack Rocket［J］.Ship Science and Technology，2008，30（5）: 63-66．

［3］ 張巍．有障板時矢量聲場特性與矢量信號處理技術(shù)研究［D］.哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)，2010．

［4］ 盧中新．基于矢量水聽器的水下瞬態(tài)信號檢測及特征提?。跠］.哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)，2010．

［5］ 徐梁，謝國新，趙志軍．基于互譜算法的矢量水聽器攔截魚雷仿真研究［J］.艦船電子工程，2010，190（4）: 123-126.Xu Liang，Xie Guo-xin，Zhao Zhi-jun.Simulating Research on the Vector Hydrophone of Suspended Depth Charge Against Torpedo Based on Cross Spectrum Method ［J］．Ship Electronic Engineering，2010，190（4）: 123-126．

［6］ 馬錦垠．火箭助飛魚雷落點(diǎn)測量方法［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012（13）: 94．

［7］ Hawkes M，Nehoral A.Acoustic Vector-sensor Beamforming and Capon Direction Estimation［J］.IEEE Trans.Signal Processing，1998，46（9）: 2291-2304.

［8］ Kainam T W，MichaelI D Z.Extented-aperture Underwater Acoustic Multisource Azimuth/elevation Directionfioding Using Uniformly but Sparsely Spaced Vector Hydrophones［J］.IEEE Oceanic Engineering，1997，22（4）: 659-672.

［9］ 何祚鏞，趙玉芳．聲學(xué)理論基礎(chǔ)［M］．北京: 國防工業(yè)出版社，1981.

［10］ 楊德森，洪連進(jìn).矢量水聽器原理及應(yīng)用引論［M］.北京: 科學(xué)出版社，2009.

［11］ 時勝國，楊德森，洪連進(jìn).同振球型矢量水聽器聲波接收理論研究［J］．聲學(xué)學(xué)報，2009，34（1）: 30-38.Shi Sheng-guo，Yang De-sen，Hong Lian-jin.Researeh on Sound Wave Receiving Theory of Co-oscillating Sphere Type Vector Hydrophone［J］.Acta Acustica，2009，34（1）: 30-38.

［12］ 洪連進(jìn)，陳洪娟．二維同振柱型組合矢量水聽器［J］．應(yīng)用聲學(xué)，2005，24（2）: 119-121.Hong Lian-jin，Chen Hong-juan.Tow-dimensional Combined Vector Hydrophone of The Resonant-column Type.Applied Acoustics，2005，24（2）: 119-121.

（責(zé)任編輯: 楊力軍）

Design of Vector Hydrophones for Suspended Anti-torpedo Depth Charge

LIU Qing-Hui，DENG Nan-Ming，WANG Hao
（91388thUnit，The People′s Liberation Army of China，Zhanjiang 524022，China）

A cylindrical vector hydrophone for suspended anti-torpedo depth charge was designed to achieve the interception of an incoming torpedo.The measurement principle of a co-oscillating cylindrical vector hydrophone was derived based on the receiving and responding acoustic wave models of a rigid cylindrical swing receiver.The interrelationship among the parameters of a co-oscillating cylindrical vector hydrophone which uses piezoelectric accelerometers was analyzed by simulation.And the vector hydrophone′s technical performance parameters were selected and designed to meet usage requirements of the suspended anti-torpedo depth charge.Simulation results show that in the allowances of sensitivity and phase difference，less strict geometrical dimension requirement of the acoustic rigid moving cylinder may facilitate the design of the co-oscillating cylindrical vector hydrophone of suspended anti-torpedo depth charge.

suspended anti-torpedo depth charge；vector hydrophone；co-oscillating cylinder

TJ630.34；TB565.1

A

1673-1948（2016）03-0189-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.006

2016-03-16；

2016-04-20.

劉清慧（1974-），男，碩士，工程師，主要從事水中兵器試驗(yàn)研究.