第三讲让声纳系统耳目一新_新型水声换能器与换能器新技术
第三讲 让声纳系统耳目一新:新型
水声换能器与换能器新技术
3
莫 喜 平
(中国科学院声学研究所 北京 100080)
摘 要 文章综述了新型水声换能器设计与换能器新技术的重要进展.主要涉及:稀土超磁致伸缩材料、弛豫铁电材料、压电聚合物薄膜等新材料的发展及其水声换能器的新设计,基于新结构的新型水声换能器,利用不同能量转换机理的新型水声换能器,宽带换能器新技术等等;对于接收型换能器着重介绍了光纤水听器和矢量水听器.关键词 换能器,光纤水听器,矢量水听器
I nnova ti ons for sonar:new technology and desi gns for underwa ter acousti c transducers
MO Xi 2Ping
(Institute of Acoustics,Chinese Acade m y of Sciences,B eijing 100080,China )
Abstract Recent significant advances in the design and technol ogy of under water acoustic transducers are re 2viewed .These include the devel opment of functional materials for transducers,and new designs based on new ma 2terials such as rare earth giant magnet ostrictive materials,relaxor ferroelectrics and p iezoelectric poly mer fil m s .Novel types of transducers with innovative structures or different energy transfer mechanis m s,and the most recent technology for br oadband transducers are described .In the category of receiver type transducers discussi on is fo 2cused on the fiber op tic hydr ophone and vector hydr ophone .
Keywords transducer,fiber op tic hydrophone,vect or hydr ophone
2005-09-30收到初稿,2006-01-19修回
Email:moxp@mail .i oa .ac .cn
1 引言
声波是迄今为止人类所掌握的唯一能在浩瀚大海中远距离传递信息和能量的载体,在陆地上人们利用电磁波研制了雷达,类似地人们利用声波这种信息载体研制了对水下目标实现探测、定位、识别和通信的电子设备———声纳.面对广阔的海洋,声纳肩负着重要的使命:触及浩瀚大海的各个角落、识别其中形色各异的事物、告诉人们海底世界的真面目、协助人们探究海洋的奥秘……成为水下通信导航、水产渔业、海洋资源开发、海洋地质地貌探测、军事武器等领域的重要手段.声波之所以成为水下最佳信
息载体,是由于在水介质中声波与电磁波等其他物
理场相比具有最小的衰减系数,可以获得远距离传播,这个优点使得声纳从最初利用超声波观察水下目标开始而不断发展起来.目前声纳的工作频段已经拓展到很宽的范围,主动声纳从几十赫兹到几十兆赫兹,被动声纳的低频端已经拓展到次声范围,在如此宽的频带内,按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号的重要器件被称为声纳换能器或声纳基阵.这些器件是声纳系统最前端的设备,也是声纳系统与水介质相互作用、交流信息的“窗口”,是声纳系统功能的“实现者”,于
是声纳换能器或声纳基阵被人们形象地喻为声纳系统的“耳目”.
随着声纳技术应用领域的不断扩大,军事对抗及作战需求的日益提高,新原理、新技术、新型声纳设备纷纷涌现,层出不穷.新型声纳技术的发展要求带动了换能器技术的飞速发展,同样换能器领域的技术突破和新材料、新机理、新结构换能器的发展,也让声纳系统“耳目一新”.在此就笔者所掌握的资料和有限的理解水平简要综述一下换能器技术近些年的发展状况,主要包括新材料水声换能器、新结构新机理水声换能器、新型水听器技术、宽带换能器技术等等.
2 新材料水声换能器
换能器是声纳系统中实现能量转换的器件.在换能器中,有一种特殊的材料具有能量转换的本领,这种材料叫做功能材料.用来制作换能器的功能材料主要包括压电材料(如压电晶体、压电陶瓷、压电聚合物等)和磁致伸缩材料(如镍、钴、镍铁合金、铁氧体、稀土铁合金等),它们分别利用压电效应和磁致伸缩效应实现电场能或磁场能与机械能之间的相互转换.换能器技术的突破根本上决定于功能材料的技术突破.近些年功能材料领域取得了方方面面的技术成就,也给换能器技术的发展带来了曙光. 1963年,美国的Clark博士发现镧系稀土材料有惊人的磁致伸缩特性,但由于居里点低于室温而没有得到实际应用.后来人们发现稀土元素和铁等组成二元、三元或四元合金在室温下也具有超磁致伸缩特性,其中最具代表性的稀土合金是Terfenol-D (组分为Tb
0.27
Dy0.73Fe1.95),它已成为20世纪80年代以来倍受关注的新型功能材料.弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅(简称P MN-PT)和铌锌酸铅-钛酸铅(简称PZ N-PT),是新型的复合钙钛矿型晶体材料,也是异军突起的一类很有应用前景的新型功能材料.在此之前,换能器材料曾经普遍使用过镍, 1917年,法国科学家朗之万用石英晶体制造了声纳换能器,开创了压电材料在声纳上应用的先例;20
世纪40年代,具有较强压电性能的BaTi O
3
陶瓷研制成功,在第二次世界大战期间被广泛用于声纳系统;50年代发展起来的PZT压电陶瓷,以其较宽的工作温度范围和优良的机电转换效率弥补了Ba2 Ti O3陶瓷的不足,一度成为水声换能器的首选材料,其中高能量密度的压电陶瓷材料是PZT-8.对上述材料作简单的比较:Terfenol-D,P MN-PT, PZ N-PT可产生的应变约是PZT-8的5倍,是镍的50倍;P MN-PT,PZ N-PT的压电常数d
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是PZT -8的6—8倍.利用这些新材料来研制新型水声换能器是当前的热门课题之一.
2.1 稀土超磁致伸缩材料水声换能器
稀土超磁致伸缩材料利用磁致伸缩效应实现磁场能与机械能之间的相互转换,主要用来研制低频大功率水声发射换能器.先介绍一种“复杂”结构的换能器———高温超导磁致伸缩水声换能器[1],如图1所示.单从换能器结构形式上讲,其结构很简单,为普通的双辐射头纵向换能器.这里所谓的“复杂”是指它丰富的物理内涵.
图1 高温超导磁致伸缩换能器
稀土合金材料在低温条件下的磁致伸缩本领比室温
条件下更大,如77K温度下Tb
0.6
Dy0.4材料的磁致伸缩应变最高值为0.65%,而Terfenol-D在室温条件下磁致伸缩应变最高值为0.25%.文献[1]研
制了50—60K温度范围的Tb
0.6
Dy0.4材料磁致伸缩水声换能器:稀土合金棒状材料置于冷气室内,由制冷器的冷却塔循环制冷,冷气室内由超导材料线圈提供直流偏磁场和激发磁场,激发磁致伸缩棒产生伸缩振动并通过机械过渡件传递到活塞式辐射面,活塞式辐射面推动水介质产生压力波辐射出去.在结构中设计了真空腔,目的是隔绝热传导,真空腔外壁是穹形耐压罩,能承受10个大气压的压力.主要技术参数如下:谐振频率430Hz,最大声源级181. 4dB,效率约为25%.这种换能器制作工艺复杂,近些年人们还是愿意采用室温条件工作的Terfenol-D材料,舍弃一些磁致伸缩应变,而代之以新结构形式实现优良的辐射性能.下面简要介绍几种结构磁致伸缩材料水声换能器(见图2)方面的研究进展.
纵向换能器结构简单,磁致伸缩棒与前辐射头
图2 磁致伸缩换能器结构示意图
和尾质量块结合成类似一维振动系统,前辐射头一般为轻质材料,尾质量块一般为密度大的材料,以实现辐射面输出更大的振动位移.Dubus等[2]介绍了两种用Terfenol-D材料研制的纵向换能器,其一是一般纵向换能器,谐振频率为1200Hz,声功率为3k W,换能器重量为60kg;其二是稀土棒两端都设计成喇叭形的双端辐射纵向换能器,谐振频率为400Hz,声功率为1.5k W,换能器重量达100kg.
圆环形换能器:由若干个稀土棒围成正多边形,通过过渡件激发一系列圆弧面作径向振动实现大功率声辐射.T oshiaki等[3]研制了一系列稀土低频大功率圆环型换能器,其中包括谐振频率为200Hz的换能器(内径0.56m,外径0.94m,高度0.37m,声源级193dB,重量410kg)和谐振频率为30Hz的换能器(直径2m,高度1.1m,声源级195dB,重量5t).
弯张换能器是利用压电陶瓷堆或磁致伸缩棒的纵振动来激励具有振幅放大效应的外壳(或桶条梁)辐射面作弯曲振动的一类换能器,图2中列举了几种常用类型的弯张换能器,其中I,II,III型具有共同特点,由纵振动棒激发旋转对称弯曲壳体,壳体可以是连续结构,也可以是切缝加工成一组梁的结构.Purcell[4]用Terfenol-D材料研制了凹型桶条梁弯张换能器(III型),谐振频率为1300Hz,声源级为188.7d B,带宽为600Hz,由于采用单棒开放磁路,在谐振频率下,交流电声效率最大仅为7%,换能器重量为2.7kg.
图2中I V型、V II型、鱼唇式弯张换能器具有共同特点,换能器由纵振动棒激发凸形或凹形椭圆壳体的弯曲振动实现大功率辐射,其中鱼唇式弯张换能器采用了振幅放大效应与面积加权作用,提高了声辐射功率.文献[5]报道了这种新型低频大功率水声换能器,包括谐振频率为210Hz,450Hz,800 Hz和1200Hz的换能器研究成果,目前这种新型换能器应用于低频主动声纳阵、声学目标声源、噪声模拟器等声学系统.
2.2 弛豫铁电材料水声换能器
弛豫铁电材料是一类颇有潜力的功能材料,可分为电致伸缩陶瓷类型和弛豫铁电单晶类型,弛豫铁电单晶比电致伸缩陶瓷材料制作工艺要复杂得多.已有研究者用这类材料制作了多种类型换能器,如弯张换能器、纵向换能器等[6].这类材料的换能器制作技术比较复杂,需要加直流偏置电场,施加预应力,控制工艺温度等.文献[7]利用P MN-PT-BT(铌镁酸铅-钛酸铅-钛酸钡)电致伸缩陶瓷研制了I V型弯张换能器(见图3).文献[6,7]报道的研究成果表明,所研制的换能器还没有最大限度地发挥材料的潜力,这方面的工作在今后一个时期内仍是水声换能器领域需要深入探索的热点问题之一.韩国Hu manscan公司和Medis on公司[8]用P MN -PT弛豫铁电单晶材料研究了64路3.5MHz超声探头,用于医用B超和Dopp ler彩色超声成像设备,暗示了弛豫铁电单晶材料在高频图像声纳中的应用前景
.
图3 P MN-PT-BT I V型弯张换能器
2.3 压电聚合物薄膜水声换能器
压电聚合物可以制成柔性膜,制作换能器时可以设计成任意形状,并且材料的声阻抗率低,容易与水等流体介质及生物组织实现阻抗匹配,常用来制作高频标准水听器、高频换能器、医学超声换能器、共形基阵及多元化复合换能器阵等.制作换能器的常用压电聚合物主要是聚偏氟乙烯(P VDF).目前更引人注目的压电聚合物材料薄膜E MFi(electr o2 mechanical fil m的缩写),是一种聚丙烯泡沫柔性薄
膜,其压电常数约是P VDF 的10倍,可用来制作高
灵敏度换能器[9]
.文献[9]研制了如图4所示结构的E MFi 薄膜换能器,接收面直径为35mm ,换能器
接收灵敏度大于-190dB (参考值为1V /
μPa ).这种换能器还可在空气中使用,接收或发射声波
.
图4 压电薄膜换能器
3 新结构水声换能器与各种换能机理
介绍
功能材料在换能器中固然重要,但是需要通过
合适的结构来发挥作用,因此换能器的结构设计在换能器技术发展中显得尤其重要.根据不同的应用领域以及多方面的技术需求,或者根据不同的换能机理与功能材料的特点,相继问世了各种类型的换能器,其中不乏将多学科的技术结合起来,共同突破新的技术难点,满足某些特殊的技术需求,如图1所示的高温超导磁致伸缩水声换能器就是典型的例子.在本文的前述内容和后面要介绍的换能器类型中,许多也属于新结构新机理水声换能器,为了不重复,本节仅另举两个新型结构的设计实例.
3.1 新结构水声换能器
钹型(cy mbal )换能器是一种类似于弯张换能器的
新型结构换能器,每只钹型换能器由一个对PZT 压电陶瓷圆片与一对金属帽粘接起来构成(见图5),PZT 压电陶瓷圆片施加交变电压,产生径向振动激发金属帽作弯曲振动,换能器凸起的金属帽产生“胀起-缩扁”的交替振动,辐射声波.同样交变的压力波作用到金属帽上时,会将压力传递到PZT 压电陶瓷圆片,在陶瓷片的两极输出交变电压,用作接收换能器.文献[10]报道的钹型换能器水中谐振频率为16.1kHz,发射电压响应
为130d B (参考值为1
μPa /V,1m 处),图5中还给出了用这种换能器组成9元基阵的照片.
盘曲弹簧型低频压电换能器,将压电陶瓷加工成盘曲弹簧形状(如图6所示),
压电陶瓷沿切向极
图5 钹型换能器及9元基阵
化,然后构造激发电极对,电极对沿盘曲弹簧方向并由中间无电极的中性段隔开,形成外环电极对1和内环电极对2(见图6中局部小片断放大示意图).如此在电极对上加激发电压V ,外环电极对和内环电极对所控制的部分压电陶瓷会产生彼此相反的振动(伸张或收缩),激发弹簧系统伸缩运动带动活塞工作面振动并辐射声能.由于这种结构的刚度很小,所以具有低的谐振频率,可用作低频发射换能器,同样用作接收时,在低频段也具有较高的灵敏度.文献[11]从压电方程出发,得出了这种类型换能器的机电转换关系,开展了一些探索性研究工作
.
图6 盘曲弹簧型低频压电换能器
3.2 水声换能器中的各种换能机理介绍
从能量转换角度讲,换能器主要可分为利用压电效应实现能量转换的压电换能器和利用磁致伸缩
效应实现能量转换的磁致伸缩换能器,前述内容所涉及的换能器都属于这两种类型之一,它们的共同特点是基于功能材料实现能量转换.后面还要详细介绍一种基于光弹效应拾振的光纤水听器.除此之
外,在水声领域还应用其他几种类型的换能器,在此简要介绍如下:
(1)电动式换能器,利用磁场与电流相互作用,类似于普通的扬声器,换能器辐射面与一个置于静态磁场中的线圈机械连接,当线圈流过工作信号频率的电流时,线圈受磁场力作用最终转换成辐射面的交变振荡而辐射工作信号频率的声能.这种类型的换能器具有工作频率低、动态振幅大、频带宽等优点.
(2)机械驱动水声换能器,利用机械马达通过曲轴-连杆等一些机械结构驱动换能器活塞式辐射面作往复运动,通过改变马达的转速可调整工作频率,改变曲轴-连杆的驱动点调整往复运动的最大行程,即调整换能器辐射面的振动位移幅.这种换能器没有谐振特性,一般不太适合产生复杂声信号.
(3)流体动力学水声换能器,利用泵系统或机械结构驱动流体产生振荡,通过工作辐射面或直接向与其连通的水域空间辐射声波.这种类型换能器可以辐射较大的声能量,也不适合用于产生复杂声信号,一般仅用于辅助实验声源.
(4)共振管型水声换能器,设计一定内腔尺寸的管型结构,通过机械结构或其他形式的换能器激发腔内流体振荡,在腔的谐振频率下可以激发很强的线谱声信号.这种类型换能器频带窄,可用作低频声源,但体积庞大.
(5)电火花低频声源,通过电容器储存高压电能,在水下瞬间进行火花放电,激发流体声振荡辐射声能,通过改变电压值和放电时间,对辐射声能的脉冲宽度和瞬时声强进行调整,但可控程度较弱、每次放电的频谱成分也有一定差异,其优点是瞬间能量大,可产生强大的脉冲声波.
4 宽带换能器技术
带宽特性是换能器的重要指标,换能器的带宽特性影响着传递信号的频谱特性和波形,在采用复杂形式的信号以及运用脉冲压缩等现代信号处理技术时要求换能器必须具有足够的带宽,否则将会造成信号失真或影响信号处理的效果.不夸张地说,宽带换能器是声纳信号处理技术的瓶颈,没有宽带换能器,信号处理就像一位卓越的词曲作家面对一位五音不全的歌手一样尴尬.宽带换能器如此之重要,使换能器的宽带设计成为人们长期不懈努力的科研方向之一.
换能器实现宽带的重要手段是利用多谐振模耦合作用,如纵向换能器的纵振模-辐射头弯曲模耦合、纵向换能器的双激励振动模耦合、纵向换能器匹配层技术实现双纵振模耦合、弯张换能器葫芦式结构双弯曲模耦合、溢流式圆环换能器径向振动-液腔共振模耦合、多模共振腔耦合宽带换能器等等,这里重点介绍一下纵向宽带换能器.
纵向换能器利用多谐振模耦合实现宽带特性的典型设计如图7所示[12].图7(a)是一种三谐振模耦合的换能器(谐振频率分别是15,25,35kHz),其中15kHz谐振频率是压电陶瓷堆激发换能器整体结构的纵向共振模,35kHz谐振频率是上端的顺性垫圈(玻璃钢材料)与上端的中间质量及铝辐射头子结构的纵向共振模,25kHz谐振频率是两个顺性垫圈(玻璃钢材料)与两个中间质量及铝辐射头子结构的纵向共振模,该换能器实现的工作带宽从13kHz到37kHz.图7(b)也是一种三谐振模耦合的换能器,与图7(a)相比,区别在于在铝辐射头前部利用树脂材料构成1/4波长的匹配层,匹配层的作用也是使整体结构反映出子结构的特征而具有多阶纵振动谐振模.在纵向宽带换能器设计中,将图7 (a)或(b)结构中的顺性垫圈用功能材料代替,设计成双激励、三激励纵向宽带换能器,具有更强大的辐射能力.图7(c)是采用稀土超磁致伸缩材料与PZT 混合组成的双激励宽带纵向换能器
.
图7 多谐振模耦合纵向宽带换能器
5 新型水听器技术
用于接收水下声信号的水声换能器称作水听器,水听器包括压电型、磁致伸缩型、动圈式、压阻式等,这里主要介绍感知水下矢量信号的矢量水听器和基于光弹效应拾振的光纤水听器.
5.1 矢量水听器新技术
水下声场的矢量信息包括声压梯度、质点加速度、质点振速、质点位移等参量,对这些矢量信息进
行感知的一类水声换能器称为矢量水听器,目前矢量水听器在国内外应用已成为热门的研究方向之一[13,14].根据换能器与声场相互作用的方式,矢量水听器可分为双水听器型、外壳静止型、同振型等等.双水听器型比较直观,是利用一对声压水听器测量水下相距很近的两点声压差来检测声压梯度;外壳静止型如图8(a )所示,设计外壳为重质量块,连接在外壳上的敏感元件直接与声场作用,检测压差信号;同振型如图8(b )所示,通过固定框架柔性悬挂一个平均密度与水近似相等、尺度远小于工作波长的球(或柱)体,该球(或柱)体随水介质一同振动而得名“同振型”,声波不直接作用在敏感元件上,而是由惯性力转移到与内部质量块相连的敏感元件上.矢量水听器的突出特点是具有偶极子指向性(见图8),也因此有着重要的应用[14]
.
图8 矢量水听器结构及指向性示意图
5.2 光纤水听器技术
光纤水听器是一种通过检测声场中声信号引起的光纤中传播光的强度、偏振、相位等变化而感知水声信号的传感器.较常用的类型是干涉型光纤水听器.图9(a )给出一种干涉型光纤水听器的结构与拾振原理,它利用光纤相干检测技术感知声信号引起相位变化来进行水声信号探测.光纤水听器具有灵敏度高、抗电磁干扰、易于成阵等特点,国内一些研究单位已经利用这种类型的光纤水听器进行海上基
阵试验[15]
,并研制成功三维同振球干涉型光纤矢量水听器.近些年又发展起来光纤光栅水听器[见图9(b )].所谓光纤光栅就是采用某种技术使光纤纤芯的折射率分布沿纵向呈一定周期变化,光纤光栅水听器是以光栅的中心波长随感知声参量变化而移动为原理.目前,光纤光栅水听器一般基于光纤布拉格光栅原理实现水声信号检测.光纤光栅水听器除了具有干涉型光纤水听器的高灵敏度、不受电磁干扰、可远距离传输等特点外,还具有潜在的探头微型化、
易于波分复用等特点.另外,可通过在一根光纤上刻写多个不同波长光栅的方法来实现水下多点信号的同步检测,这使得水听器成阵和网络化更加方便
.
图9 光纤水听器结构及拾振原理示意图
参考文献
[1]Vocci o J P,Joshi C H et al .I EEE Trans .Magn .,1994,30(4):1693[2]
Dubus B et al .Low 2Frequency Magnet ostrictive Pr oject ors for Oceanography and Sonar I n:3rd Eur opean Conference on Un 2der water Acoustics .Herakli on:1996,1019-1024[3]
T oshiaki N et al .A 20Hz GiantMagnet ostrictive Source f orMo 2nit oring of Gl obal Ocean Variability .I n:I nternati onal Sy mposi 2um Acoustic T omography and Acoustic Ther mometry Pr oceed 2ings .Tokyo:1999,217—224
[4]
Purcell C J.Terfenol D river f or the Barrel 2Stave Pr oject or .I n:Pr oceeding of the Third I nternati onalWorkshop on Transducers f or Sonics and U ltras onics .O rlando Fl orida,1992,160—169[5]
Mo X P et al .Acta Acustica,2002,88:796[6]Steven M P et al .I EEE Trans .U ltras on .Ferr oelectr .Freq .Contr .,2000,47(4):861—876[7]Craig L H et al .J.Acoust .Soc .Am.,1998,104(4):1903[8]
SungM R et al .Multilayer P MN 2PT Single Crystal Transducer f orMedical App licati on .I n:2004I EEE I nternati onal U ltras on 2ics,Ferr oelectrics,and Frequency Contr ol Joint 50th Anniver 2sary Conference,2004,1021—1024[9]Reiner K .J.Acoust .Soc .Am.,2001,109(4):1412[10]Ja mes F T et al .J.Acoust .Soc .Am.,1999,105(2):Pt .1,591
[11]J iao B L et al .I EEE Trans .U ltras on .Ferr oelectr .Freq .Con 2tr .,1999,46(1):147
[12]
Stephen C B.H igh FrequencyMulti 2res onantB r oadband Trans 2ducer Devel opment at NUWC .I n:UDT 2002Undersea De 2fence Technol ogy Conference Pr oceedings .Spezia,2002,588—594
[13]贾志富.应用声学,2001,20(4):15[J ia Z F .App lied A 2coustics,2001,20(4):15(in Chinese )][14]
Robert D C et al .Acoustic Vel ocity Sens or for the NRL ABC Research Platf or m.I n:Acoustic Particle Vel ocity Sens ors:De 2sign,Perf or mance and App licati ons,Ne w York:1995,303-311
[15]
张仁和等.物理,2004,33(7):503[Zhang R H et al .W uli (Physics ),2004,33(7):503(in Chinese )]
水声换能器的基础知识
水声换能器基础知识 地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。 1. 水声换能器的应用 目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。这里仅介绍几种在水下探测方面的应用： （1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。以频率范围在10kHz~200kHz的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。 （2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。一般工作频率在100kHz~500kHz。 （3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。 2. 水声换能器的分类 换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。如廿世纪中叶开发的压电陶瓷是经过高压直流极化处理之后才具有压电性的，因此，被称作电致伸缩材料，是当今压电换能器的主流，尤其在超声换能器领域有极其广泛的使用价值。 水声换能器按照不同的振动模式可以分为以下几类： （1）纵向振动换能器：其振动方向与长度方向平行。在换能器的长度方向传播应力波，它的谐振基频取决于长度，是声纳系统中使用得最广泛的类型。 （2）圆柱形换能器：采用压电陶瓷圆管（或圆环），通过合适的机械结构，安装成所需的长度。它可以做成水平无指向性、垂直指向性可控的宽带换能器，是声纳系统中仅次于纵向换能器的一种类型，此外它还是水声计量中惯用的标准水听器和标准发射器的选型之一。 （3）弯曲振动换能器：弯曲振动换能器具有低频下尺寸小、重量轻的优点（与相同频率下、同一种有源材料的换能器相比较），其振动形式有弯曲梁、弯曲圆盘、弯曲板等。
水声通信技术研究进展及应用
水声通信技术研究进展及应用 摘要：水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式，由于其在民用和军事上都有重大意义，水声通信的研究一直是国内外研究的热点。文章介绍了水声 通信的历史，分析了水声通信发展的关键技术，讨论了水声信道的特点、系统组 成和国内外的发展现状。最后对未来的水声通信技术作了预测。 关键词：水声通信，通信信道，声纳，正交频分复用，声纳信号处理 1 引言 当今世界已进入了飞速发展的信息时代，通信是这一进程中发展最为迅速、进歩最快的行业。陆地和空中通信领域包括的两个最积极、最活跃和发展最快的分支--Internet网和移动通信网日臻完善，而海中通信的发展刚刚崭露头角。有缆方式的信息传输由于目标活动范围受限制、通信缆道的安装和维护费用高昂以及对其他海洋活动（如正常航运）可能存在影响等缺点，极大地限制了它在海洋环境中的应用。另外由于在浑浊、含盐的海水中，光波、电磁波的传播衰减都非常大，即使是衰减最小的蓝绿光的衰减也达到了40dB/km，因而它们在海水中的传播距离十分有限，远不能满足人类海洋活动的需要。在非常低的频率（200Hz以下），声波在海洋中却能传播几百公里，即使20 Hz的声波在水中的衰减也只有2—3dB/km，因此水下通信一般都使用声波来进行通信。而在这个频率范围内，声波在水中（包括海水）的衰减与频率的平方成正比，声波的这个特性导致了水下声信道是带宽受限的。采用声波作为信息传送的载体是目前海中实现中、远距离无线通信的唯一手段。 海洋水下信道是一个极其复杂的时间-空间-频率变化、强多径干扰、有限频带和高噪声的信道，这是至今还存在的难度最大的无线通信信道。研究水声通信必须综合物理海洋学、声学、电子技术和信号处理等多种学科和技术的知识，现在水声通信的研究已经成为各国科学和工程技术人员研究的热点之一。另外，海洋声学技术尤其是水声通信技术是国际发达国家对我国实行封锁的领域，因此研制具有自主知识产权的水声通信技术意义深远。 2 水声通信的历史 水声通信的历史可以追溯到1914年，在这一年水声电报系统研制成功可以看作是水下无线通信的雏形。世界上第一个具有实际意义的水声通信系统是美国海军水声实验室于1945年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载波频率8。33kHz，主要用干潜艇之间
多用户水声通信仿真平台设计
多用户水声通信仿真平台设计 作者：赵极远杨威 导师：王逸林 (哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江省哈尔滨市 150001) 摘要：多用户水声通信仿真平台由服务器和客户端两部分组成，在PC机上实现服务器功能，在以Cyclone III FPGA为核心的SOPC系统上实现客户端功能。信号通过客户端的数据采集及处理后，传输至服务器，并与模拟水声信道的冲击响应进行卷积等运算，最后将运算结果转发给其他客户端，实现多用户水声通信仿真功能。 关键词：水声通信；仿真平台；服务器；客户端；SOPC Design of Multi-user Simulation Platform for Underwater Acoustic Communication Author: ZHAO Jiyuan YANG Wei Tutor: WANG Yilin （College of Underwater Acoustic Engineering , Harbin Engineering University ,Heilongjiang Harbin 150001） Abstract:Multi-user simulation platform for underwater acoustic communication consists of two parts, the server and the client. The server runs on a PC, and the client runs on a SOPC system based on Altera's Cyclone III FPGA. After the signal is collected and processed by the client, it will be transmitted to the server and convoluted with impulse response of underwater acoustic channel, and then the result will be transmitted to other clients, so that the system achieves the function of multi-user simulation platform for underwater acoustic communication. Keywords: underwater acoustic communication; simulation platform; server; client; SOPC 随着科学技术的进步，海洋资源的探测与开发日益受到注目。开发海洋资源需要母船、水下机器人和深海固定开发基站协同作业，因此对一个信息化、现代化的海洋通信网络有着极为迫切的需求。由于声波信号是目前已知的唯一能在海洋中远距离传播的信号，水声通信网络应运而生。然而为构建水声通信网络而进行的海洋试验，却由于海上试验高昂的费用和冗长的试验周期让人望而却步，因此设计一套可以在实验室进行模拟海洋环境的水声通信网络仿真平台有着它独到的意义。 国际上，以美国为代表，早在二十世纪七十年代就有较完善的仿真系统问世，我国直到二十世纪九十年代中期才开始有一些对于海洋声信道模型、现代先进声纳信号处理模型等仿真系统的研究。对于水声通信网络仿真系统的研究也仅仅是PC机软件模拟，由软、硬件相结合方法构建的水声通信网络仿真平台恰当的弥补了这一方面的空白，对水声通信网络的研究有着很好的辅助和补充作用。
现代水声通信技术发展探讨
现代水声通信技术发展探讨 近年来，随着各种新技术的层出不穷，对我国各行业的发展建设都起到了重要推进作用。尤其是在通信技术方面水声技术的发展也越来越成熟，国内外对其研究也越来越重视。目前水声通信主要有以下几种方式，如OFDM、扩频以及其他方式等都是比较常见的，且随着信息技术的不断创新与发展，利用网络技术进行无线电水声通信的研发已经进入比较成熟的阶段，对于实现海洋全方位监测有着不可忽视的重要影响，下面文章就其现代水声通信技术的发展现状进行详细地分析与阐述，希望可以为相关人员提供一定的参考。 标签：水声通信；相干通信；非相干通信 Abstract：In recent years，with the endless emergence of various new technologies，it has played an important role in promoting the development and construction of various industries in China. Especially in communication technology，the development of underwater acoustic technology is becoming more and more mature，and more attention has been paid to the research of underwater acoustic technology at home and abroad. At present，underwater acoustic communication mainly has the following several ways，such as OFDM，spread spectrum and other methods are relatively common，and with the continuous innovation and development of information technology，The research and development of radio underwater acoustic communication using network technology has entered a relatively mature stage，which has an important impact on the realization of marine all-directional monitoring. The following article carries on the detailed analysis and the elaboration to its modern underwater acoustic communication technology development present situation，in order to provide the certain reference for the related personnel. Keywords：underwater acoustic communication；coherent communication；incoherent communication 1 水聲通信技术的发展 早在欧美发达国家就已经将水声通信技术应用于军事和民用两方面，甚至随着计算机技术的发展，在国外一些机构组织研究中已经将计算机技术彻底融入至水声通信技术中并形成了水声通信网络化。水声技术作为海洋开发的重要技术之一，对于海洋的研究及开发有着不可忽视的重要影响。利用水声通信技术可以有效对海底各种信息的传输及数据进行精准分析，对于海洋资源的开发及运用都起到了很重要的影响。通过水声通信技术可以有规律的了解到海洋的全天候的变化和信息资料的收集，作为海洋系统之一水声通信技术的建立和水声通信网络的完善，可以为不同海洋开发客户资源提供全面的检测。甚至能够精准测出环境对海洋资源的影响和自然灾害的发生。在我国在水声通信网络计划方面还处于初级研究阶段，相信在不久的将来，同样可以结合各种先进技术，建立完善的水声通信
声纳工作原理的简易说明
声纳工作原理的简易说明 声纳工作原理的简易说明 加拿大海军的M2S2声纳系统 声纳是一种非常重要的海军装备，随着潜艇等水下武器的使用而受到各国极大的重视。这里，我们不去讨论某个具体的装备，也不涉及太多的数学概念，而是从简单的物理原理入手，对声纳这个水中顺风耳做个简略的介绍。 ▲自然界中的雷达和声纳 目前的声纳主要分为两类，主动声纳和被动声纳。主动声纳工作时类似雷达，更确切地说像蝙蝠，发出声波后，接受反射回来的声信号。既然原理类似，问题来了，为何不把雷达直接搬到水下呢？很简单，雷达依赖的电磁波在水下衰减严重，根本不足以用于远距离的探测。而声波是由物体振动产生，在水中的传播距离非常远，水中一声巨大的爆炸，上千公里远的地方也能听到。 如此得天独厚的优势，声波自然而然成为首选的媒介。既然声响在水里可以传播很远，那么放置一个听音器静静地听着别人吼叫也能起到收集信息的作用，那么被动声纳就应用而生。我们可以打个比方，某人冲着远处连绵不绝的大山高喊“我！爱！军！武！”，一段时间后
会有缥缈的回声传回来，“我～爱～军～武~”。这样，嗓子和耳朵就组成了主动声纳，如果知道声音的传播速度，手头恰好有个秒表，简单的计算就能得到此人和大山之间的距离。恭喜，这就是主动声纳技能。如果此时在大山的另一边，有人恰好只是听到了这句喊，好吧，他只是用了被动声纳的技能。 了解了大概的工作原理后，我们的问题就具体起来，如何产生声波？如何接收声波？我们不可能在水下还是用嗓子喊耳朵听，所以特殊的部件被开发出来用于这个目的，那就是水声换能器。 这种部件的主要有两种类型，用磁场或是用电场都可以让物体变形，这里我们集中介绍用电场控制物体变形和振动的原理，即逆压电效应和压电效应。 在二战后期之前的声纳系统一直不太给力，原因之一就是有正逆压电效应的材料不靠谱，而纳粹潜艇威胁巨大，迫使盟军投入大量精力去开发新材料。直到有一天，具有钙钛矿结构的钛酸钡（BaTiO3）被发现，使得声纳中的关键原件有了突破。之后参杂有铅的铅锆钛（PZT）陶瓷被发明，其性能非常优异，经过改进后的材料至今仍然被某些声纳使用。 ▲用于产生超声波的的压电 陶瓷阵列（PI公司，德国） 所谓的正逆压电效应就是力和电的相互转换。当有外力F作用在压电体表面时，无论是拉伸还是压缩变形，都会在施加力的两个表面产生电荷。利用这个原理，就可以制成传感器。声波传播当中遇到这个传感器会引起传感器微小的振动，这种细微的变形会产生电荷信号。结合其他电路和计算机，就可以制成听声器。
201110水声换能器在水下探测应用中的发展
水声换能器在水下探测应用中的发展 郑乙 （海军装备部，山西侯马043003） [摘要]水声换能器是利用声波对水下目标进行探测、识别以及定位或者进行水下通信和发报的主要工具。用来发射声波的换能器称为发射器。当换能器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。目前利用压电材料设计的常规换能器阵元，尤其是低频换能器，由于其结构上的特点，使得体积与重量庞大，不仅使制造、使用与维修成本提高，而且对平台提出了特殊要求，并限制了组阵的规模和形式，从而约束了战术与技术指标。如何解决声基阵的组阵规模与组阵形式问题，如何将低频、高频声纳基阵的结构设计统一起来，并在新阵元结构的基础上，通过组合大规模共形基阵，提高声纳基阵的各项技术指标，无疑是发挥平台与水中兵器作战性能，提高我军水下作战能力的迫切需要。 [关键词]水声换能器；水下探测；应用；发展 1新型压电复合换能器 图３．１月芽式压电复合换能器阵元与阵元剖面图 图３．２钹式换能器阵元与阵元剖面图 月芽式压电复合换能器（如图3.1）和钹式压电复合换能器（如图 3.2）是当前国外重点研究的最具代表性的弯张换能器。这两种结构的 压电复合换能器由其金属端帽的形状而得名。月芽式结构的金属端帽腔 体为月芽式，而钹式结构的金属端帽腔体为翘钹式，腔体为空气，它们 都是通过金属与压电陶瓷复合制作而成。金属—压电陶瓷复合材料通过 板状、壳状和帽状金属与压电陶瓷复合，改变陶瓷内部的应力分布，从 而提高压电材料的性能。 其主要特点是设计简单、易于加工、成本低。月芽式压电复合换 能器和钹式压电复合换能器显现出良好的压电性能，这种结构通过帽状 金属与陶瓷介面的应力转换，改变陶瓷介面的应力分布，使复合材料的 纵向压电性能和横向压电性能产生加合作用，从而大大提高材料的压电 耦合性能d h 。其中月芽结构复合材料的d h较压电陶瓷高10～20倍。帽 状结构可以较压电陶瓷提高30～40倍。月芽和帽状金属—压电陶瓷复 合材料与压电陶瓷的性能比较见表3.1。 表３．１金属—压电陶瓷复合材料的性能 2钹式换能器 图４．１钹式换能器阵元基本结构剖面图 图４．２钹式阵元陶瓷片的径向位移转化为金属帽厚度方向位移 阵元结构：阵元基本结构如图4.1，它是由两片冲压成钹状的金属 片与压电陶瓷片粘结成型，金属片材料可以为钛合金、黄铜、合金钢 等。利用钛合金作为金属片材料，可以使钹式阵元具有较大的抗水压性 能，对于阵元直径dp=10mm的钹式换能器可以承受600米水深时的 压力。但是钛合金材料较黄铜和合金钢材料昂贵，因此在不考虑水深使 用时，钛合金材料相对受限。黄铜与合金钢材料相比，当它们同时应用 于钹式阵元时，黄铜材料的钹式阵元具有更好的压电性能。压电陶瓷的 材料也主要包括PZT-4、PZT-8和PZT-5，钹式换能器作发射换能器 使用时，常用PZT-4和PZT-8压电陶瓷，作接收换能器使用时，常 用PZT-5压电陶瓷。工作原理：当在钹式阵元的两极施加电压时，压 电陶瓷会产生纵向和横向的振动，压电陶瓷的纵向振动，使得阵元的两 金属片直接产生纵向位移；压电陶瓷片的横向位移使得金属片发生径向 的压缩或扩张，由于钹式的特殊形状，这同样导致金属片顶端产生纵向 的位移，如图4.2。压电陶瓷纵向和径向位移都会使得金属端帽产生纵 向的位移，而且两种位移叠加后的结果，即为金属端帽的位移，从而产 生了金属端帽位移的放大。 3钹式压电换能器的特点及应用前景 3.1钹式压电换能器的特点 1）阵元体积小，静压压电系数高，易与水介质匹配，具有十分大 的带宽；其中利用凹型阵元设计、特殊静液压平衡设计，突破基阵的工 作深度限制。 2）为水下平台与水中兵器提供一类全面适用的声传感器与阵列， 该类声基阵体积小、重量轻、适用范围广，采用共形阵方式，布阵安装 灵活，对平台结构无要求。 3）由于新型钹式阵元小而轻的特点，可以将其进行大规模组阵， 获得较高灵敏度（FFVS）和较大的发射幅压响应（TVRS）。 4）用钹式阵元设计理论与专用软件，将各个频段（下转第60页）
声纳识别系统性能提升途径
电子技术 ? Electronic Technology 94 ?电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering 【关键词】声纳原理 发展趋势 识别系统 水声学是一门声学分支学科，主要研究的是水下声波的产生、辐射、传播、接收和量度，掌握水声学就可以解决与水下目标探测及信息传输有关的各种问题。由于海洋水环境的独特性质光波以及无线电波的传播在其中的衰减都极其严重，无法在海水中进行远距离有效的传播，更无法满足对水下环境及目标的检测、水下通讯等方面的应用。在已发现的传输介质中，唯一一种能够在海水中作远距离传输的能量形式就是声波。 声纳是通过声波信号来对水下目标进行探测、定位的常见设备，其原理是模仿视力极 声纳识别系统性能提升途径 文/孙鹏程 低的蝙蝠通过声波实现视觉功能的特性。在水 下资源勘查，水下通信、海洋军事领域中起着决定性作用。声纳的军事战略地位已被拥有海洋资源的各海洋国家广泛重视。 1 声纳技术的分类及现状 声纳从工作原理来分可分为主动声纳和 被动声纳两类。 主动声纳又称回声声纳，原理框图如图1 所示。 主动声纳的工作方式为发射机发射出特定频率的声波信号，触及到目标物后接收反射波中的信息来测算出目标的各项参数，包括方位、距离、速度等。具体来讲，距离可以通过折返的声波信号与发射出的声波信号之间的时间差计算出来，目标的方位可以通过测算回声弧形波线，再制出其法向量方向就是目标的方向，而目标的径向速度可根据多普勒效应测算回波信号与发射信号之间的频率之差得知。 同理，目标的其他性质可通过比对回波信号与发射信号的变化规律来推测。主动声纳 主要用于水下勘测，例如暗礁、冰山、沉船等静止且无声的目标，其优势也在于此，能够较精确的测量方位以及距离等参数，缺点是主动声纳工作时需发射声波信号采集回声，更易被地方侦查，且探测距离有限。 被动声纳的工作原理（如图2）是通过接受目标自身发出的声波信号来探测目标，因此也被称为噪声声纳，这一功能是通过接收换能器基阵来实现的。 被动声纳主要用来搜索、检测来自目标的声信号和噪音优点是拥有良好的隐蔽性，更远的侦察距离以及更强的识别能力。缺点是由于其需要目标物自身产生“噪声”，所以对静止无声的目标无法探测，仅仅可以发现目标但无法测出目标距离。其次，被动声纳只接收目标自身产生的信号，声纳本身并不发射信号，因而没有其他反射噪声造成的干扰。 实际应用中多数声纳都采用主动被动两种方式结合使用，充分发挥出两种声纳的优点扬长避短。在一般勘察使用时，为了在探测的同时不使自身信息被敌方率先侦查到，工作在 房内火灾隐患。最终实现对机房环境、机房安全、机房配套设备和重要供电回路的各种监视功能。3.2 安防系统 根据安全管理需要，设置视频监控系统。本次系统前端采用数字摄像机，存储采用数字硬盘录像机。室外设两台快球摄像机，监控整个台站的外环境及围界情况，室内设一台半球型摄像机，该摄像机的主要作用就是进行安全防范监控。并且安防系统还能够对摄像机图像进行实时监视以及对图像的数字化存储功能，具备网络远程多路实时监视的功能。还能够对录像资料进行远程网络的查询和回放，对于录像资料还提供了远程下载、备份的服务，满足了用户对监控图像的随时调取需要。数字摄像机采用720P 像素，硬盘录像机对所有本地视频进行7×24小时的存储，存储天数为90天。3.3 消防报警系统 场监机房内设置火灾报警系统，通过使用智能型总线制火灾自动报警系统对常场监机房全面保护。感烟探测器和感温探测器的设置，能够对温度和烟雾信息进行准确的监控；此外， 还需要设置紧急启停按钮、放气指示灯、声光报警器。系统对各种火灾报警信号能够及时的进行接收，然后发出报警信号，信号发送至环境监控采集设备，最后上传至上级监控中心。气体灭火控制盘分为手动和自动两种，当控制盘处于手动状态，只发出报警信号，不输出动作信号，但是一旦值班人员对确认火警的发生后，对应急启动按钮进行控制，就可以使系统喷放气体灭火剂启动。 4 系统供电及接地 1号场监雷达站由2#消防站引双路低压电源，互投后供工艺使用。2号场监雷达站由3#消防站引双路低压电源，互投后供工艺使用。3号场监雷达站由1#消防站引双路低压电源，互投后供工艺使用。1号、2号、3号场监雷达站均与甚高频遥控台合建，台站内为场监和甚高频设备配备UPS 设备，均冗余配置，后备时间按半小时考虑。在机房配电箱内安装防浪涌保护器。雷达塔平台上架设4根玻璃钢避雷针。方舱内设备通过16mm2专用接地铜线与50mm 2接地母线相连。接地电阻要求不大于4欧姆。建筑接地网及避雷设计由电气专业考虑。 5 通信 通信采用光缆传输，光纤从机房预埋至手孔井，沿通信管道敷设至合建的甚高频机房传输设备，最终传输到东塔附属业务楼。传输设备由通信工程设计。 参考文献 [1]卿烈华.场面监视雷达系统在民 用机场的应用[J].数字技术与应用,2018,36(05):100+102. [2]徐艳.场面监视雷达系统的设计与 优化分析[J].信息与电脑(理论版),2017(14):169-171. [3]周雷.场监雷达天线座关键技术研究[J]. 电子机械工程,2017,33(5):17-21. 作者简介 孙璐（1988-），女，河南省信阳市人。硕士研究生，中级工程师，通信导航专业。 作者单位 中国民航机场建设集团公司规划设计总院 北京市 100101 <<上接93页
(完整版)第2章水声换能器
第2章 水声换能器1.水听器2.水声发射换能器3.实验 1.水听器 (1) 分类 根据其用途和校准的准确度 根据其使用材料 根据其用途和校准的准确度分为两级： A.一级标准水听器 建立水声声压基准，并通过它传递声学量单位。绝对法校准。 B.二级标准水听器（测量水听器）用作实验室中一般测试。比较法校准。 根据其使用材料可分为：a 、压电式：b 、动圈式（或电动式）c 、磁致伸缩式d 、光纤式 (2) 参数①水听器接收灵敏度 ②水听器的指向性③水听器的电阻抗④动态范围 ①水听器接收灵敏度水听器自由场电压灵敏度： 水听器在平面自由声场中输出端的开路电压与声场中放入水听器之前存在于水听器声中心位置处自由场声压的比值。 水听器声压灵敏度：水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值。②水听器的指向性 · 指向性响应图 · 指向性指数 · 指向性因数 水听器的指向性图 表示水听器在远场平面波作用下，所产生的开路输出电压随入射方向变化的曲线图。 指向性指数DI 和指向性因数R θ 对于水听器，其指向性因数代表定向接收器输出端的信噪比比无指向性接收器输出端的信噪比提高的倍数。10lg DI R θ=
③水听器的电阻抗 在某频率下加于换能器电端的瞬时电压与所引起的瞬时电流的复数比。换能器电阻抗的倒数称为换能器的电导纳。 ④动态范围水听器主轴方向入射的正弦平面行波使水听器产生的开路电压等于水听器实际输出的带宽1Hz的开路噪声电压时，则该声波的声压级就是水听器的等效噪声声压级。水听器的过载声压级与等效噪声声压级之差。 水听器的过载声压级引起水听器过载的作用声压级。 水听器的等效噪声压级 （3）GB/T4128-1995 一、二级标准水听器声学性能指标 灵敏度 指在水听器输出电缆末端测得的声压灵敏度或自由场低频灵敏度。 按照国家标准规定用于1Hz~100kHz频率范围的压电型标准水听器（以下同）： 一级：不低于-205dB(0dB re 1v /μPa) 二级：不低于-210dB（0dB re1v/μPa） 自由场灵敏度频率响应 自由场灵敏度频响相对于声压灵敏度在整个使用频率范围内，至少有三个十倍频程范围：一级：其灵敏度的不均匀性小于±1.5dB，在其他频率范围内灵敏度变化不超过+6dB或-10dB。 二级：其灵敏度的不均匀性小于±2dB，在其他频率范围内灵敏度变化不超过+6dB或-10dB。灵敏度校准及其准确度 低频段应用国标GB4130-84中规定的一级校准方法进行校准，其校准准确度优于±0.5dB；高频段应用国标GB3223-82中规定的互易法进行校准，其校准准确度应优于±0.7dB。 低频段应用国标GB4130-84中规定的二级校准方法进行校准，其校准准确度优于±1.0dB；高频段应用国标GB3223-82中规定的比较法进行校准，其校准准确度应优于±1.5dB。 指向性 一级：水平指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于300，在选定方向（或主轴）±50的范围内灵敏度变化应小于±0.2dB。 垂直指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于150，在选定方向（或主轴）±20的范围内灵敏度变化应小于±0.2dB。
水声通讯系统调研
0 引言 通信技术的发展主要集中在空间通信上。近年来，由于军事和海洋开发的要求，人们开始越来越重视水下通信系统的研究与开发。由于电磁波在水中传播时衰减严重，而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，所以海洋中检测、通信、定位和导航主要利用声波。声波是目前水中信息传输的主要载体。因此，人们对水下通信的研究主要集中在对水声通信的研究之上。 水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式,由于其在民用和军事上都有重大意义,水声通信一直被人们所重视。文章介绍了水声通信的特点、系统组成、发展历史和国内外的发展现状。 1 水声通信的历史 水声通信的历史可以追溯到1914 年，在这一年水声电报系统研制成功可以看作是水下无线通信的雏形。世界上第一个具有实际意义的水声通信系统是美国海军水声实验室于1945 年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载波频率8.33 kHz，主要用于潜艇之间的通信。早期的水声通信多使用模拟频率调制技术。如在50 年代末研制的调频水声通信系统，使用20kHz 的载波和500Hz 的带宽，实现了水底到水面船只的通信。模拟调制系统不能减轻由于水声信道的衰落所引起的畸变，限制了系统性能的提高。 70 年代以来随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，水声通信技术也因此得到了迅速的发展，新一代的水声通信系统也开始采用数字调制技术。采用数字技术的重要性在于，首先，它可以利用纠错编码技术来提高数据传输的可靠性;其次，它能够对在时域(多途)和频域(多普勒扩展)上的信道畸变进行各种补偿。随着处理器技术的提高，各种采用快速解调的算法也随之发展起来。数字调制技术的主流为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控调制(PSK)。 随着用于空间无线电衰落信道技术的发展，水声通信的下一代系统对数字编码的数据采用了频移键控(FSK)调制方式。作为一种能量检测(非相干)而不是相位检测(相干)算法，FSK 系统被认为对于信道的时间和频率扩展具有固有的稳健特性。采用数字技术有两个方面的好处:首先，它允许采用纠错编码技术来提高传输的可靠性；第二，它允许对信道混响做一定的补偿，包括时间和频率上的补
水声换能器
一、1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵 (1) 矩形线列换能器阵结构 利用1-3-2型复合材料阵元组成的矩形线列换能器阵结构见图1，该线列阵由四片矩形1-3-2复合材料阵元构成，阵元沿直线紧密排列。四个1-3-2型复合材料阵元的外形尺寸、内部结构完全相同，均为25mm×25mm×5mm的矩形薄片，内部结构的每个周期中陶瓷柱截面为0.84mm×0.84mm，环氧树脂宽为0.43mm，陶瓷基底厚为0.5mm。1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵的其它辅助部件包括换能器外壳、背衬、解耦材料、聚氨酯、电极引线和电缆等。其中外壳材料选用金属黄铜，形状为上部敞口的长方体空盒，外形尺寸为114mm×33mm×15mm，四面侧壁厚度为2mm，底座厚6mm，其中开有83mm×4mm×3mm 的走线槽。另外，底座中心还有一直径3mm的通孔，用于同轴电缆穿过。外壳的作用主要是定位阵元，承受压力和抗腐蚀等。设计中采用硬质泡沫塑料作为换能器的背衬和边条，背衬和边条厚度均为2mm，复合材料阵元通过环氧粘接剂粘在背衬上，背衬具有反声、绝缘的作用；每个阵元四周由硬质泡沫边条将阵元之问、阵元与外壳之间隔离，目的是解耦和绝缘。另外，背衬和边条还起到定位复合材料阵元的作用。换能器阵元上表面，即换能器辐射面被覆有2mm厚的聚氨酯匹配层，用于防水、透声。 图1矩形线列换能器阵结构 (2) 矩形平面阵结构 图2矩形平面阵结构 (a)整体结构(b) 剖面结构(c) 外壳结构
(3) 圆柱形换能器 (b) 图3圆柱形换能器参考附件中李莉的毕业论文112-128页 二、平面水听器及双激励加匹配层换能器 （非压电复合材料）参考杭州应用声学所
声纳系统原理
【知识】潜艇的“耳目”―声纳系统 09-03-23 作者：编辑：hrbue 利用水下声波实现水下信息传递和探测的设备的总称：其英文sonar 为”sound navigation and ranging ”的缩写，音译为“声纳”，意译为声导航和测距。声纳在军事上可用于对敌舰艇的搜索、跟踪、识别和定位，实现水下通信、导航：民用上可用于海底测绘、石油勘探和探鱼等。声纳种类很多，按用途分，有测距声纳、综合声纳、侦察声纳、识别声纳、通信声纳，报警声纳、探鱼声纳、探雷声纳、导航声纳等；按装载体分，有舰用声纳、潜用声纳、航空声纳（吊放声纳及浮标声纳）、岸用声纳等。按基阵结构和布设方式分，有吊放式声纳、拖曳式声纳、合成孔径声纳、参量阵声纳、舰壳声纳等：按信号来源分、有主动声纳、被动声纳；按波束特征分，有单波束声纳、多波束声纳、扫描声纳、旁视声纳主动声纳又称有源声纳。通过向水下发射声波并利用回声来获取水下目标信息的声纳。现代的主动声纳是大功率、全景或多波束覆盖的，并使用多种发射信号波形。主动声纳通常安装在潜艇、水面舰艇以及直升机或固定翼飞机上（主动式声纳浮标）。主动声纳是反潜战装备的重要组成部分，能直接给出目标距离、方位。水中目标向着接近或远离声纳的方向运动将改变接收回波的频率，这叫做多普勒效应。主动声纳可利用多普勒效应获得目标的距离变化率，并减小混响的影响。潜艇通常由若干种声纳组成统一的声纳体系。到目前为止，潜艇声纳体系还是以噪音站为主，回音站为次，其它为辅助设备。噪音站是一种被动声纳，回音站是一种主动声纳。 声纳 声纳的原理由于电磁波在水中衰减的速率非常的高，无法做为侦测的讯号来源，以声响讯号探测水面下的人造物体成为运用最广泛的手段。声纳的英文原名SONAR来自于「音响导航与测距」（sound navigation and ranging）的缩写，无论是潜艇或者是水面船只都利用这项技术的衍生系统探测水地下的物体或者是做为导航的依据。声纳系统可以大致上分为两类：主动与被动。主动声纳会自己发生音响讯号，藉由这个讯号接触物体后反射回来的变化，做为计算这个物体的相对方位与距离的数据。被动声纳的作用和收听装置极为相近，不发出任何讯号，只接收来自于周遭的各种音响讯号来判断与识别不同的物体。传统上潜艇安装声纳的主要位置是在最前端的位置，由于现代潜艇非常依赖被动声纳的探测效果，巨大的收音装置不仅仅让潜艇的直径水涨船高，原先在这个位置上的鱼雷管也得乖乖让出位置而退到两旁去。其它安装在潜艇上的声纳型态还包括安装在艇身其它位置的被动声纳听音装置，利用不同位置收到的同一讯号，经过计算机处理和运算之后，就可以迅速的进行粗浅的定位，对于艇身较大的潜艇来说比较有利，因为测量的基线较长，准确度较高。另外一种声纳称为「拖曳声纳」，因为这种声纳装置在使用时，以缆线与潜艇连接，声纳的本体则远远的拖在潜艇的后面进行探测，拖曳声纳的使用大幅强化潜艇对于全方位与不同深度的侦测能力，尤其是潜艇的尾端。这是因为潜艇的尾端同时也是动力输出的部分，由于水流的声音的干扰，位于前方的声纳无法听到这个区域的讯号而形成一个盲区。使用拖曳声纳之后就能够消除这个盲区，找出躲在这个区域的目标。 潜望镜 潜望镜使用在潜艇上的历史比声纳还要久，美国南北战争期间使用的龟形人力小潜艇已经使用类似简单潜望镜的光学装置作为航行时的导航依据。潜望镜利用光学镜面反射的原理，在一个长管子的两端安装镜片，上端的镜片会将面对的影像向下反射，位于底部的镜片将反射过来的影像作第二次反射，观测人员透过底部的反射镜就可以看到上方镜面对准的方向上的影像。透过这个装置，潜艇内部的人员可以对周遭的环境进行肉眼的实际观测。在作战上，潜望镜也是辨识目标种类与敌我的重要手段。潜望镜通常提供两种倍率，一种放大倍率较小但是视野范围较广，适合快速的搜索周遭的海域，另外一种倍率较大，提供潜艇识别与判断目标动向的能力。二次大战以后有些公司推出的产品将两者的功能分开到个别的搜
水声换能器与基阵的测量
水声换能器与基阵的测量 1. 阻抗 水声换能器的阻抗通常是指在水声换能器电端测得的电阻抗，具体是指在某一固定频率下加到换能器输入端的瞬时电压与流入换能器的瞬时电流的复数比，单位为欧姆，用符号Z表示。 水声换能器的电导纳则是电阻抗的倒数，即指在某一固定频率下流入换能器的瞬时电流与加到换能器输入端的瞬时电压的复数比，单位为西门子，用符号Y表示。 利用阻抗分析仪可直接测出换能器在串联模式下的电阻抗和并联模式下的电导纳，但该方法通常只用于换能器在小信号状态下的阻抗或导纳测量。 2. 发送响应及声源级 水声发射换能器的发送响应按参考电学量的不同分为发送电压响应、发送电流响应和发送功率响应。 在水下电声测量中，人们通常习惯用分贝来表示某一参量在某一空间点、某一时刻的幅度，相对于一个参考幅度的大小，即所谓级的概念，如声压级、声源级、发送电压响应级、发送电流响应级和发送功率响应级等等。 （1）发送电压响应 换能器发送电压响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压与加到换能器输入端的电压之比。 （2）发送电流响应 换能器发送电流响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压与流入换能器的电流之比。 （3）发送功率响应 换能器发送功率响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压的平方与输入换能器的电功率之比。 （4）声源级 发射换能器的发射声源级是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压级。 3. 指向性 指向性是指换能器的发送响应或自由场灵敏度随发送或入射声波方向变化的特性，一般用指向性图、指向性因数和指向性指数来表示。 指向性是一个方向的函数，通常用D(θ,φ)来表示，其中φ是水平角，θ是垂直角。因此指向性图是个空间立体图，而且它又是频率的函数，所以指向性图通常要标明测量的频率和测量平面。在实际测量中，指向性图是二维的，通常是指水平指向性图或垂直指向性图。 如果换能器是互易的，则它的发射指向性图和接收指向性图是相同的，但在高功率状态下，由于非线性的影响，发射指向性图和接收指向性图稍有差异。 指向性图通常要作归一化处理，因为它是任一方向上发送响应或接收灵敏度相对于参考方向（通常为声轴方向）上发送响应或接收灵敏度的变化曲线，即将轴向发送响应或接收灵敏度设为0dB，再将任意方向上的发送响应或接收灵敏度与轴向发送响应或接收灵敏度的比值随方向的变化用极坐标或直角坐标下的图形表示出来。 指向性图的特征参量通常用波束宽度和最大旁瓣级来表示。 波束宽度指从主轴的最大响应下降3dB（或6dB、10dB）时左右两个方向的角度，通常称之为下降3dB（或6dB、10dB）的波束宽度。 最大旁瓣级是指最大旁瓣比主轴的最大响应下降的分贝数。 4. 电声线性范围
水声通信技术的发展及其应用
水声通信技术的发展及其应用 姓名：付卓林 班级：机电1015 学号：10223060
摘要：目前水下通信最主要最有效的手段——水声通信技术一直是国内外研究的热点技术，也是一门极具挑战性的课题。本文主要叙述水声通信技术的发展历程以及其在民生、军事等方面的应用，讨论了其发展前景。 关键词：水声通信，声纳，调制解调 Abstract Acoustic communication,the most commonly used and most effective method applied in submarine communication,has long been a hot spot for researchers,and is also a challenging subject.This text focuses mainly on the development of acoustic communication and its applications,andtakes a brief look into its prospects. 1引言 水声通信是一项在水下收发信息的技术，和光波、电磁波相比，声波在水下衰减 较慢，因此可用于水下长距离信号传输。水下通信有多种方法，但是最常用的是使用 水声换能器。水下通信非常困难，主要是由于通道的多径效应、时变效应、可用频宽窄、信号衰减严重，特别是在长距离传输中。水下通信相比有线通信来说速率非常低， 因为水下通信采用的是声波而非无线电波。常见的水声通信方法是采用扩频通信技术，如CDMA等。 2 水声通信技术的发展历程 水声通信技术起源于1914年，这一年水生电报系统研制成功。1945年，美国海军水 声实验室研制成功了第一个有实际意义的水下电话采用单边调制技术，载波频率8.3 3KHz，用于潜艇的通信。早期的水声通信多使用模拟频率调制技术。如在50 年代 末研制的调频水声通信系统，使用20kHz 的载波和500Hz 的带宽，实现了水底到水 面船只的通信。模拟调制系统不能减轻由于水声信道的衰落所引起的畸变，限制了系 统性能的提高。70 年代以来随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，水声通信技 术也因此得到了迅速的发展，新一代的水声通信系统也开始采用数字调制技术。采用 数字技术的重要性在于，首先，它可以利用纠错编码技术来提高数据传输的可靠性;其次，它能够对在时域(多途)和频域(多普勒扩展)上的信道畸变进行各种补偿。随着 处理器技术的提高，各种采用快速解调的算法也随之发展起来。数字调制技术的主流 为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控调制(PSK)。随着用于空间无线电衰落 信道技术的发展，水声通信的下一代系统对数字编码的数据采用了频移键控(FSK)调
水声通信网络浅析
水声通信网络浅析 摘要：随着现代信息技术的飞速发展，覆盖了地面、空中、太空、水面的立体信息网已经形成并为各国的通讯、交通、资源调查、国防等各项业务服务。近年来，随着世界各国海洋开发步伐的加快，发达国家开始对水下声通信网进行研究。水声通信网络（UWN）承担着探测、数据通信的重要使命。它通常由海底传感器、自主式水下运载器（AUV）和水面站组成，水面站可进一步与Internet等主干网连接，在这种环境中人们可以从多个水下远程设备提取实时数据，并把控制信息传递给各个设备。本文将介绍水声通信网络的发展现状、关键技术、具体应用及发展前景。 关键词：水声通信网络发展现状 AUV 1.发展现状 目前陆上与空中的有线及无线通信已经很成熟，但是水下无线通信仍处于研究与试用阶段。随着人类对海洋探索、开发的不断深入，无论是军用领域还是民用领域，都对水下通信有着极大的需求。 尽管在水下可以使用电缆、光缆等有线方式进行通信，但是这些方式中节点无法移动，适用对象极其有限。电磁波在水下的衰减很大，要想在水中传播很远的距离就必须采用很低的频率，这就要求很高的传输能量和很长的天线，通常是难以实现的。目前水下通信方式主要有长波通信、水下激光通信、中微子通信、水声通信等。长波通信所需设备体积庞大，价格昂贵，通信效率低，目前主要用于基地与潜艇之间的远程通信；水下激光通信目前主要研究蓝绿激光水下通信系统，其穿透海水能力强，可实现基地与下潜400米以上的潜艇的通信，通信频带宽，数据传输能力强，但是灵活性不够；中微子通信是近年来新兴的技术，比较复杂，目前还仅仅停留在实验室阶段[2]。声波是惟一一种能在水介质中进行长距离传输的能量形式。水声通信是目前水下最合适的通信方式，得到了各发达国家研究机构和军方的高度重视。最早的水声通信可以追溯到20世纪50年代针对模拟数据的幅度调制（AM）和单边带（SSB）水下电话。随着VLSI（very large scale intergration，超大规模集成电路）技术的发展，在80年代早期水下数字频移键控（FSK）技术得到应用，它对信道的时间、频率扩散有一定的鲁棒性。80年代后期出现了水声相干通信，与非相干通信相比，水声相干通信技术可以提高有限带宽水声信道的带宽效率，但是由于水声信道的传播特性恶劣，水声相干通信刚开始并不被接受。90年代DSP（digital signal processing，数字信号处理）芯片技术和数字通信理论的发展使许多复杂信道均衡技术均可以实现，带动了水声相干通信技术的发展，并促使其开始转向对水平信道通信的研究。水下通信发展的一个里程碑式的关键环节是水下声学调制解调器的出现。最早的水下声学网络应用概念是1993年美国提出的自主海洋采样网（AOSN）。美国自1998 年起开始了称为“海网（SeaWeb）”的年度实验，意在验证水下声学网络的概念与实际使用效果。 2. 水声通信网络的特点与拓扑 水声通信网络的节点有以下几个特点：第一，移动性，因此必须是能够自组织的自主网络，遵循一定的网络路由方式；第二，由于采用水下无线通信方式，因此必须能够自适应海洋环境特性，能够解决物理层的技术挑战；第三，由于采用电池供电，所以能量受到限制；第四，具有数据传播功能，可把监测数据传达到岸上。 参照陆上无线传感器网络，水声通信网络的拓扑可分为两大类: 中心化的网络（centralized network）和分布式的对等网络（distributed peer-to-peer network）。 在中心化网络中，节点之间的通信是经过中心节点实现的，并且网络通过这个中心节点接入骨干网。这种配置的主要缺点就是存在单一故障点，即这个节点的失效将导致整个网络的失效。同时由于单个调制解调器的作用距离有限，整个网络的覆盖范围也就有限。