矢量水听器声性能的理论建模分析

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1、矢量水听器声性能的理论建模分析许欣然，葛辉良，孟洪，白琳琅，郑震宇(声纳技术国防科技亜点实验宅，杭州310012)摘要本文利用声结构耦合的有限元法分析了在平面波声场激励下的矢皇水听器的响应特性一矢量水听器声压灵敏度和接收指向性图.对于此类流固耦合问题，分析中充分考虑了流体与结构相互作用，实现双向耦合；在声场边界匕利用辐射边界条件有效地实现远场截断，构造理想的平面波场。结果表明矢帰水听器口由场声压灵敏度毎倍频程上升6dB,指向性为余弦指向性.理论值与试验样品测量值的一致性，验证了预报方法的准确性。关键词矢量水听

2、器，有限元法，自由场声压灵敏度AtheoreticalmodelinganalysisontheacousticalperformanceofvectorhydrophoneXUXin-ran,GEHui-liang,MENGHong,BAILin-lang,ZHENGZhen-yu(StateKeyLaboratoryofSonarTechnology,Hangzhou310012.China)AbstractThecoupledacoustics-structureFEMisimplementedtoan

3、alyzetheresponsecharacteristicofthevectorhydrophoneexcitedbyanacousticplanewave.Forsuchakindoffluid-structurecoupledproblem,theinteractionbetweenfluidandstructureissufficientlyconsidered,andthusthebidirectionalcoupledmethodisimplemented.Ontheboundaryofacous

4、ticfield,theradiationboundaryconditionisusedforfar-fieldtruncation,andthustheidealacousticplanewavefieldissimulated.Thefreefieldpressuresensitivityandreceptiondirectivitypatternofthevectorhydrophoneiscalculatedsequentially,anditisobservedthatthepressuresens

5、itivityascends6dBperoctaveandthebeampatternisproportionaltothecosineoftheangle.Theconsistencyoftestedandtheoreticalresultsverifiesthevalidityofthepredictionmethod・KeywordsVectorhydrophone;FEM;Free-fieldpressuresensitivity1引言矢量水听器是指它的输出电压值与声场质点的振速、声圧梯度、声强等矢量

6、分量成正比的水听器。由于可以获取矢量信号，和传统声压水听器相比，矢量水听器在应用上有诸多优越性。按工作原理，矢量水听器可以分为压差式和同振式，由于压差式矢量水听器工作频带较窄，制约了其应用。同振式矢量水听器在声场作用卞，产生整体振动，其振动加速度由水听器内部的敏感元件拾取。在水听器密度与水相同、尺度远小于声波波长II水听器振动不受声场外的其它因素影响情况下，水听器整体的振动加速度与无水听器情况下其声中心位置的介质质点振动加速度相同。声压灵敏度及接收指向性，是衡量矢最水听器性能的重要指标。设计欠量水听器时有必要

7、建立数学模型，分析各个设计参数对其性能的影响，达到优化设计的目的。本文以基于双压电晶片的矢量水听器为研究对象，其基本结构如图1所示。它采用双压电晶片结构作为敏感元件，具有结构简单、厚度尺寸小、工作频率低等优点，冇利于在舷侧阵中的应用[1-3]o本文利用冇限元法分析了基于双压电晶片欠最水听器的声性能，并制作了样品进行试验验证，理论计算结果和测量数据有较好的一致性。图I基丁•双压电品片的矢就水听器结构图作者■介：许欣然（1984-）男，硕上，研究方向为水声换能器及声系统Fig.lThestructxireofbi

8、morphdiskvectorhydrophone2矢量水听器声压灵敏度理论计算方法和局限性在实际工程应用中，通常采用自由场声压灵敏度作为矢猷水听器的评价参数，英定义为：yocM=（1）P其中，p为声场中未放入矢量水听器之前在其声中心处的自由场声压，y"为矢量水听器开路电压输出。在平面波入射声场中，当球形矢量水听器外壳尺寸远小于入射声波波长（肋《1）且自由悬挂时,根据刚性球辐射理论，其声压灵敏度和加