声自导换能器在强声脉冲下的响应特性分析

乔子椋, 张群飞, 雷开卓



声自导换能器在强声脉冲下的响应特性分析

乔子椋, 张群飞, 雷开卓

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

为了分析强声脉冲对自导系统的作用效果, 需要研究声自导换能器在强声脉冲下的响应特性。根据导纳圆图法建立了复合棒型声换能器的等效电路模型, 并进行了仿真。仿真中强声脉冲信号使换能器等效电路产生振荡。在水下强声试验系统中进行了水下强声试验, 采集了强声脉冲信号及换能器输出信号, 试验中强声脉冲亦使换能器产生了振荡, 与仿真结果相符, 也验证了等效电路模型的合理性。研究还发现, 不同换能器产生的振荡相关性差, 使方位估计无法正常进行。试验结果表明, 强声脉冲可对自导系统产生明显的压制效果, 使其进入致盲状态, 对抗效果明显。

声换能器; 导纳圆图; 等效电路; 强声脉冲; 响应特性

0 引言

鱼雷声自导系统是指以水声物理场作为控制场, 利用目标辐射或反射的声能量发现目标, 测定其参量, 并对鱼雷进行导引控制的系统。它由声学基阵、发射机、收发转换开关、接收机和指令系统等几部分构成。声学基阵由若干换能器阵元组成, 它的作用是进行电声转换和声电转换。

水下爆炸具有持续时间短、瞬时声压级高、频率分布宽和传播距离远等声学特性。据相关记载, 水下弹药连续爆炸产生的声波从几十赫兹到50 kHz以上都有相当强的声功率, 可完全覆盖目前世界上鱼雷声自导系统的各个工作频段[1]。因此, 当利用水下爆炸形成的强声脉冲作为对抗声自导鱼雷的干扰源时, 其强劲的声波将会使鱼雷声自导系统产生侦听饱和、阻塞抑制, 使自导跟踪失去目标接触, 达到较好的对抗效果[2-3]。

与水下爆炸类似的水下定向声能技术是舰艇水下防御领域内一项全新的研究内容[4], 它利用强声脉冲的定向聚焦, 在一定区域形成能量集中的聚焦压力波, 作为一种有效的硬杀伤手段可大大提高舰艇防御能力, 是水下防御的发展方向之一。同时, 在声波的强度尚达不到硬杀伤效果时, 强声能的定向聚焦就成为一个强声干扰源。

本文的强声干扰源利用液电效应和声束聚焦技术, 通过水下瞬时放电产生水下冲击波, 实现水下声能量的定向聚焦[4]。水下放电强声源由充放电回路、触发开关、放电开关、传输电缆及控制部分组成。充电回路包含感应调压器、LC谐振系统及升压整流系统, 负责给电容器组快速充电。放电回路包括电容器组、触发放电开关、传输线缆及水下放电间隙(放电电极)。当给电容器组充上高压, 在高压触发脉冲作用下, 触发放电开关导通, 电容器组通过放电开关经传输电缆在水下放电, 产生强烈的爆炸, 形成强声脉冲。

由于强声直接作用在换能器上, 因此在分析自导系统在强声脉冲辐射下的响应时, 首先需要建立换能器的等效电路, 如何对特定类型的换能器建立有效的、精确的等效电路, 将直接影响到强声脉冲式水声对抗器材的压制效果仿真。本文通过精密阻抗分析仪对换能器进行测量, 根据导纳圆图法得到换能器的等效电路, 再利用MultiSim软件仿真分析在单次强声脉冲下, 换能器等效电路的响应特性, 最后进行试验并与仿真结果对比, 验证换能器的等效电路的有效性和精确性, 为分析鱼雷声自导系统与强声脉冲干扰器的对抗反对抗性能奠定了基础。

1 换能器等效电路的建模

为了提供换能器与自导系统的电子发射、接收设备之间阻抗匹配的数据, 研究、分析换能器的性能, 通常需要测量换能器的等效电路。如果忽略电损耗, 一个压电换能器的静态等效电路是一个纯电容, 当换能器振动辐射声能量时, 还存在动态阻抗, 这是由于换能器振动部分的力阻抗和介质对振动部分的反作用而产生的, 动态阻抗总可以用电阻、电感和电容来表示。如果在离某一共振频率很远的频率上没有其他共振, 则在这个共振频率附近, 可把压电换能器近似看成一个集总系统[5]。另外, 如果考虑到换能器的电损耗, 需在换能器等效电路中并联一个损耗电阻, 于是换能器的等效电路如图1所示[6]。

图1 考虑电路损耗的压电换能器集总等效电路

图1中,0是静态电容,1,1及1分别为动态阻抗中的电阻、电容、电感,R为换能器的损耗电阻。本文讨论的换能器为复合棒声换能器, 其机械品质因数Q较高, 故可根据导纳圆图法, 采用宽频带阻抗分析仪对其进行测量[6]。为获得更逼近实际工作状态的测量结果, 本文利用平衡测量方法, 在温度、静压等环境条件达到稳定状态后, 使用Agilent 4294A宽频带精密阻抗分析仪, 分别测量得到电导和电纳随频率变化的曲线, 如图2所示，其中下图为曲线局部图。

图2 换能器导纳-频率曲线

根据导纳-频率曲线, 可以做出导纳圆图, 图3为测量换能器等效电路的导纳圆图, 对原始导纳圆图进行拟合, 拟合后为一闭合理想导纳圆, 由该导纳圆的直径可得

过圆心作垂直于电导轴的直线, 交圆周于两点和, 这两点的频率假定分别为1和2, 得

式中，ω=2πf。由导纳圆沿电纳轴平移的距离得

从图3看出, 导纳圆没有与电纳轴相切, 而是与其有一定距离, 即整个导纳圆向电导增大方向平移一段距离, 该距离在数值上等于1/R, 故

综上所述, 利用导纳圆图法得到了复合棒声换能器的等效电路模型, 计算出各器件参数分别为

2 强声脉冲下换能器响应的仿真

根据测量得到的等效电路, 在NI公司的电路仿真软件MultiSim 10.1中, 对复合棒声换能器在强声脉冲下的响应特性进行仿真。仿真中的信号源由MultiSim软件中的分段线性电压源(PIECEWISE_LINEAR_VOLTAGE)采用数据文件输入的方式, 直接读取试验中水下爆炸产生的强声信号。假设换能器的接收灵敏度是-190 dB, 接收点脉冲声压峰值为236 dB时, 换能器接收电压峰值可达200 V, 其时域波形如图4所示, 观察等效电路的仿真输出时域波形如图5所示。由图5可以看出, 单个强声脉冲使换能器产生了一定持续时间的振荡, 振荡持续了约30 ms的时间。由此可推测自导系统的声换能器在强声脉冲的干扰下会产生振荡, 且幅值较大。

图4 实测水下强声脉冲时域波形

图5 强声脉冲下换能器响应的时域仿真波形

3 试验验证及分析

3.1 试验条件

在水下强声对抗试验系统中, 将2个复合棒声换能器平行置于同一水平面上, 使其喇叭形前盖板对准同一方向, 两者之间的距离约为10 cm。在该水平面上, 距离换能器前盖板平面约2 m处放置水下放电强声源, 其俯视图如图6所示。

水下强声对抗试验系统的水箱尺寸约为(3×1×1) m, 水下强声源传播到换能器处的声压约为10 MPa, 同时, 在换能器的输出端接有衰减器或者保护正反向保护二极管。

图6 强声源和换能器俯视图

3.2 单换能器输出结果及分析

水下放电产生单个强声脉冲, 当换能器输出端没有并联双向钳位保护二极管时, 离声源2 m处换能器输出时域波形如图7, 输出峰值电压为108 V。功率谱如图8, 换能器灵敏度为-190 dB。由图8知, 在爆炸产生的激波后面, 存在由气泡脉动产生的两个较大的压力脉冲, 其后声压值衰减很快。图中看出, 原本频带从几十赫兹到50 kHz以上的水下强声脉冲, 被换能器的频率响应所滤波, 主要功率集中在25 kHz以及5 kHz以下强声能量集中的频段。当在换能器输出端将两个1N4148型二极管正反并联, 作为双向钳位保护二极管时, 换能器的输出时域波形如所示。

图7 无保护二极管时换能器的强声脉冲响应

图8 无保护二极管时换能器的强声脉冲响应功率谱

图9 并联保护二极管时换能器的强声脉冲响应

由图9中可以看出, 在单个强声脉冲作用下, 换能器产生了振荡, 且振荡持续了约40 ms的时间, 振幅衰减较慢。在振荡过程中, 出现了由1个激波和3个气泡脉冲引起的换能器输出电压的跳变。经过分析, 振荡持续时间较长的原因在于, 换能器中的等效电感、电容等组件与正反向二极管形成振荡回路, 在强声脉冲激励下形成自激振荡。

3.3 多换能器相关结果及分析

在实际工作中, 由于换能器阵是在干扰背景下接收有用信号的, 因此在设计阵时都采用了信号和噪声各自的空间相关特性提高信噪比, 增强对信号的检测能力。一般说来, 各阵元接收的目标信号相关性越强, 接收的噪声信号相关性越弱, 阵列处理的阵增益越高。声场的空间相关性是以空间坐标为变量的函数, 描述在空间一定距离上的两点接收声信号的相似程度, 常用相关函数或相关系数表征其相关性。

接收机工作时, 依据多个阵元接收信号之间的时移(相移)对目标方位进行估计, 而估计时须保证各阵元信号具备相关性, 此时换能器阵的空间增益为

式中: (,)为声线入射方向;为阵的工作角频率;(,,)为信号阵的相关系数;(,,)为噪声阵的相关系数。

在噪声相关系数一定的情况下, 当信号处于全相关状态, 即(,,)=1时, 处理增益最大。在对抗过程中, 若目标投放强声对抗装备, 由于强声脉冲覆盖了自导系统的工作频段, 由式(7)可以看出, 信号阵的相关系数的变化将会影响主被动自导系统的工作。

根据以上分析, 对多换能器在强声脉冲下的相关性进行试验计算, 以便分析强声脉冲对自导系统换能器阵的影响。两换能器(都并联有保护二极管)在单个强声脉冲下输出时域波形见图9, 局部放大波形见图10。从局部波形图中可以看出，两者虽然都是限幅振荡, 但在过零点位置、疏密分布等方面都有较大差异。

图11是两换能器输出信号互相关系数曲线。用互相关计算时，两通道时延为0.100 ms, 声程差为149.8 mm。图中，互相关系数最大值约为0.23, 说明该换能器的强声脉冲响应的相关性较差。相关系数最大值出现在=0.1 ms处, 而据布放情况, 两换能器最大声程差时延只有0.06 ms, 试验中强声源方位10°, 对应时延为0.011 6 ms, 显然根据两路信号时延无法判断强声源方位。

图10 两换能器的强声脉冲响应时域波形

图11 两换能器的强声脉冲响应的互相关系数变化曲线

根据试验条件, 若两换能器的输出具有相关性, 则依据两通道的时延可估计出强声源方位。对两通道的实测数据进行分段, 数据起始时刻为12 ms, 每段长4 ms, 对每段数据用互相关估计通道间时延, 再解算声源方位, 计算结果见表1。

表1 目标水平角估计值

由表1看出, 多数情况下这两个换能器无法估计出目标方位, 即使估计出目标方位, 也与真实值偏差较大, 且各次估计值变化也较大。因此, 不论自导系统工作在主动模式还是被动模式下, 自导信号和舰艇噪声信号都淹没在强声信号中, 自导系统探测到目标后无法有效估计目标方位。

4 结束语

在20 us宽的强声脉冲作用下, 由于换能器与保护二极管形成自激振荡回路, 声换能器发生了持续时间40 ms以上的振荡。多换能器在强声脉冲作用下的输出信号相关性很低, 试验室环境下换能器在离声源2 m处自导系统无法估计目标方位, 进入致盲状态。研究结果表明, 水下强声脉冲串产生系统可作为新的水声对抗装备, 对声自导鱼雷形成有效的压制。然而, 在多远的距离上还能达到这种效果有待于进一步深入研究。

[1] 李宁, 陈建峰, 黄建国, 等. 各种水下声源的发声机理及其特性[J]. 应用声学, 2009, 29(4): 241-248.Li Ning, Chen Jian-feng, Huang Jian-guo, et al. Sounding Mechanisms and Characteristics of Various Underwater Sound Sources[J]. Applied Acoustics, 2009, 29(4): 241- 248.

[2] 潘正伟, 刘平香. 水下爆炸对鱼雷毁伤的实验研究[J]. 舰船科学技术, 2003, 25(6): 52-55. Pan Zheng-wei, Liu Ping-xiang. Experimental Research of Underwater Explosion Damage Effect on Torpedos[J]. Ship Science and Technology, 2003, 25(6): 52-55.

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Response Characteristic of Acoustic Homing Transducer to Intense Sound Pulse

QIAO Zi-liang, ZHANG Qun-fei, LEI Kai-zhuo

(College of Marine Engineering, Northwestern Ploytechnical University, Xi′an 710072, China)

To evaluate the effect of intense sound pulse on homing system, the response characteristic of acoustic transducer to intense sound pulse is investigated. An equivalent circuit model of typical transducer is established based on the admittance circle diagram method. With this model, the response characteristic is analyzed by computer simulations, and the results show that an oscillation appears in the equivalent circuit due to the intense sound pulse. Water tank experiment is conducted in underwater intense sound experiment system, and the intense sound pulse signal as well as the output signal of the transducer is collected. In the experiment, intense sound pulse also leads to an excited oscillation of the transducer, which validates the correctness of the equivalent circuit model. Furthermore, the correlation among responses of different transducers is poor, which disturbs bearing estimation process. The experimental results indicate that intense sound pulse imposes an apparent suppression effect on the homing system, and brings torpedo into a blinding status.

acoustic transducer; admittance circle diagram; equivalent circuit; intense sound pulse; response characteristic

TJ630.34; TB56

A

1673-1948(2011)03-0187-05

2010-12-15;

2011-01-28.

国家自然科学基金(10974154), 国家大学生科技创新计划(101069935).

乔子椋(1988-), 男, 在读硕士, 研究方向为实时对抗仿真.

(责任编辑: 杨力军)