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著“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著“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。
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。
估计未来10年海洋开发大有作为
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