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1、低 频 大 功 率 发 射 换 能 器 的 要 求 及 限 制 X栾 桂 冬 张 金 铎 朱 厚 卿(北 京 大 学 电 子 学 系 北 京 100871) (中 科 院 声 学 所 北 京 100080)摘 要 由 于 潜 艇 在 声 安 静 技 术 方 面 取 得 的 进 展 , 需 要 用 主 动 声 呐 作 为 辅 助 手 段 来 探 测 潜 艇 ,从 而 大 大 促 进 了 低 频 大 功 率 发 射 换 能 器 的 研 究 。 本 文 论 述 了 对 低 频 大 功 率 发 射 换 能 器 的 要 求 和 限制 。 比 较 了 几 种 不 同 种 类 低 频 大 功 率 发 射 换
2、 能 器关 键 词 发 射 换 能 器 , 低 频 , 大 功 率Needs and lim iting factors for h igh-power low-frequency projectorsLUAN Gu idong ZHAN G J in duo(D epartem ent of electronics, Pek ing university, Beijing 100871)ZHU Houqing( Institute of A coustics, A cadem ia Sinica,Beijing 100080)Abstract T he advances in the aco
3、ustic quieting of subm arines w ill necessitate the use of active sonar ason adjunct as a m eans of dedecting subm arines, bring about a deep research in h igh2pow er, low 2frequencyp ro jecto rs1T he needs and lim iting facto rs fo r h igh2pow er, low frequency are discussed and different type p ro
4、 jecto rsof h igh2pow er and low 2frequency are compared1Key words p ro jecto r, low 2frequency, h igh2pow er1 引 言由 于 潜 艇 在 声 安 静 技 术 方 面 取 得 的 进展 , 传 统 的 用 被 动 声 呐 探 测 潜 艇 遇 到 了 困 难 ,需 要 用 主 动 声 呐 作 为 辅 助 手 段 在 远 距 离 探 测潜 艇 。 有 人 预 言 , 我 们 可 能 进 入 主 动 声 呐 更 为重 要 的 时 代 , 低 频 大 功 率 发 射 换 能 器 的 研 究是 远
5、 程 主 动 声 呐 最 重 要 的 关 键 技 术 之 一 。 然而 , 要 研 制 低 频 、 大 功 率 、 高 效 率 并 有 较 小 尺寸 和 较 轻 重 量 的 发 射 换 能 器 是 非 常 困 难 的 。对 此 、 各 国 的 研 究 人 员 进 行 了 深 入 探 讨 , 做 出了 很 大 努 力 , 提 出 了 各 种 技 术 设 计 方 案 , 试 图在 严 格 的 要 求 和 实 际 的 条 件 限 制 之 间 寻 找 折衷 , 取 得 较 为 满 意 的 结 果 , 本 文 将 对 此 问 题 作一 回 顾 。2 低 频 大 功 率 发 射 换 能 器 的 要求 和
6、限 制海 洋 中 的 声 传 播 损 失 为 1 :TL = 20lgr+ A0 r10- 3式 中 第 一 项 20lgr 是 通 常 的 球 面 扩 展 损 失 , r为 距 离 ; 第 二 项 为 吸 收 损 失 , A0 为 吸 收 系 数(dB km ) , 它 随 频 率 急 剧 变 化 。 图 1 表 示 出 因吸 收 损 失 为 6dB 的 距 离 与 频 率 的 关 系 。 由 图可 见 , 为 了 声 信 号 在 水 下 能 传 播 到 100km 以45 18 卷 2 期 (1999)X 第 一 作 者 : 栾 桂 冬 , 男 1938 年 1 月 生 , 教 授收 稿
7、日 期 : 9923212, 修 回 日 期 : 9924216上 的 距 离 , 声 呐 换 能 器 的 工 作 频 率 需 要 低 于1kH z。图 1 吸 收 损 失 6dB 边 界 随 频 率 变 化 的 关 系另 一 方 面 , 目 标 散 射 强 度 随 频 率 的 降 低而 减 小 , 图 2 表 示 半 径 为 a 的 刚 性 圆 柱 对 法向 入 射 声 波 的 散 射 强 度 的 变 化 2 , 图 中 , k 为波 数 , 从 图 可 知 , 若 要 得 到 必 要 的 目 标 散 射 强度 , 需 ka 1。 典 型 的 潜 艇 半 径 为 5m , 则 需 频率 大
8、于 100H z 才 能 得 到 必 要 的 目 标 散 射 强度 , 即 通 常 的 低 频 大 功 率 发 射 换 能 器 的 优 选工 作 频 率 大 约 在 100H z 1000H z。图 2 刚 性 圆 柱 散 射 强 度 随 频 率 的 变 化在 实 际 工 作 中 , 换 能 器 尺 寸 往 往 比 水 中声 波 波 长 小 , 这 样 可 以 将 其 作 为 一 脉 动 球 来处 理 。 半 径 为 a 的 脉 动 球 , 在 距 离 其 中 心 r 处的 声 压 为 P = Ar ej(Xt- k r) = A r ej(Xt- k r+ H)式 中 k 为 水 中 波 数
9、 , A 为 常 数 , 通 常 为 复 数 ,A = A ejH, 径 向 质 点 振 动 速 度 为 :u r= - 1jXQ05Q5r设 球 表 面 振 动 速 度 un= u0ej(Xt- ka) , 则 可 得 3 :A = Qcka2u01+ (ka) 2, H= tg- 1 ( 1ka) ,式 中 Qc 为 水 的 密 度 和 声 速 。据 定 义 , 声 源 级 是 在 声 轴 上 离 声 源 的 有效 声 中 心 单 位 距 离 (通 常 取 1m )处 的 声 强 级 。而 平 面 波 情 况 下 的 声 强 级 等 于 声 压 级 , 在 距球 1m 处 的 声 压 幅
10、值 为 (考 虑 到 kan 1) :P 1m = XQU 4P= X2QX 4P式 中 U 为 体 积 速 度 , X 为 体 积 位 移 。脉 动 球 的 辐 射 阻 抗 为 :Z = R r+ jX r, R r= Qc (4Pa2) (ka) 2式 中 X r= Qc (4Pa2) (ka) = XQa (4Pa2) =3 ( 43 Pa3Q) X= 3M 0 X其 中 M 0 为 与 球 同 体 积 水 的 质 量 , 辐 射 声 功率 : P = 12 u20R r= 2PQcA 2图 3 表 示 声 功 率 和 声 源 级 与 频 率 之 间 的关 系 , 在 100H z 若
11、要 得 到 210dB (参 考 1LPa在 1m ) 的 声 源 级 需 要 1000cm 3 (01001m 3) 的体 积 位 移 和 4 103W 的 辐 射 声 功 率 , 从 图 4辐 射 声 阻 抗 分 量 的 关 系 图 可 知 , 由 于 低 频 时阻 抗 中 阻 的 分 量 很 小 , 因 而 辐 射 到 水 中 的 声图 3 半 径 为 a (ka 1) 的 脉 动 球 声 源 级 和 辐 射 声功 率图 4 脉 动 球 的 辐 射 声 阴 抗 分 量55声 学 技 术功 率 非 常 小 , 即 使 机 械 换 能 效 率 很 高 , 总 效 率也 将 是 低 的 , 因
12、 此 , 为 了 得 到 高 的 声 源 级 (可能 需 要 高 至 200dB ) , 必 须 尽 量 提 高 发 射 器 的体 积 位 移 。概 括 起 来 , 在 研 制 低 频 声 源 时 , 成 本 、 尺寸 、 重 量 和 设 计 困 难 的 程 度 , 随 着 降 低 频 率 、增 加 声 源 级 、 增 加 带 宽 和 增 加 工 作 深 度 而 增加 。 而 大 多 数 用 于 高 频 换 能 器 的 设 计 技 术 , 对于 低 频 换 能 器 来 说 未 必 适 用 。3 常 用 的 释 放 压 力 机 构由 于 需 要 大 的 体 积 速 度 , 对 深 水 发 射 换
13、能 器 必 然 遇 到 抵 抗 大 的 流 体 静 压 力 和 释 放 压力 机 构 之 间 的 矛 盾 。首 先 是 自 支 撑 结 构 。 用 有 一 定 厚 度 能 承受 大 的 流 体 静 压 力 的 材 料 做 成 换 能 器 的 壳体 , 靠 密 封 的 壳 体 来 承 受 大 的 静 压 力 。 这 种 机构 的 优 点 是 简 单 、 使 用 方 便 、 释 放 效 果 好 , 但由 于 壳 体 强 度 和 驱 动 结 构 的 限 制 。 一 般 工 作水 深 在 300m 以 内 。人 们 自 然 想 到 , 在 密 封 的 壳 体 内 注 入 压缩 空 气 来 承 担 静
14、水 压 力 。 所 采 用 的 方 法 是 在换 能 器 的 密 封 腔 体 内 部 用 与 换 能 器 周 围 同 样压 力 的 空 气 充 满 , 显 然 , 换 能 器 能 够 与 流 体 静压 力 平 衡 , 并 提 供 良 好 的 压 力 释 放 , 其 缺 点 是由 于 低 频 换 能 器 往 往 有 很 大 的 内 腔 , 当 在 大深 度 使 用 时 , 需 要 一 个 很 大 的 高 压 气 体 存 储体 积 , 在 非 常 大 的 深 度 使 用 时 , 高 压 气 体 系 统变 得 复 杂 并 有 安 全 问 题 。由 于 液 体 的 “ 不 可 压 缩 性 ” , 用
15、液 体 充 填密 封 腔 体 , 可 使 换 能 器 做 到 基 本 不 依 赖 于 工作 深 度 。 然 而 , 这 样 做 基 本 上 没 有 提 供 压 力 释放 , 比 起 别 的 释 放 机 构 来 , 对 给 定 的 频 率 和 声功 率 输 出 的 换 能 器 将 会 比 较 大 、 比 较 重 , 并 需要 大 的 驱 动 力 。作 为 一 个 折 衷 的 可 用 于 中 等 深 度 的 方案 , 用 密 封 的 空 气 填 充 椭 圆 金 属 管 插 入 到 充填 空 腔 的 液 体 中 以 增 加 柔 顺 性 , 改 善 压 力 释放 条 件 , 其 工 作 深 度 受 到
16、 顺 性 管 被 液 体 静 压力 毁 坏 的 限 制 , 且 压 力 释 放 能 力 与 深 度 有 关 。对 换 能 器 采 用 自 由 浸 没 的 设 计 是 适 用 于大 深 度 工 作 的 优 选 方 案 , 不 过 对 这 种 结 构 要进 行 仔 细 的 精 巧 的 设 计 , 几 种 低 频 换 能 器 的压 力 释 放 机 构 的 比 较 列 于 表 1。表 1 几 种 低 频 换 能 器 的 压 力 释 放 机 构 的 比 较机 构 优 点 缺 点压 缩 空 气 大 的 阻 抗 失 配压 力 释 放 较 好 声 特 性 随 深 度 变 化深 度 限 制液 体 不 依 赖 深 度机 械 阻 抗 高压 力 释 放 差需 要 大 的 驱 动 力顺 性 管 比 液 体 有 较 好 的 压 力 释 放 深 度 限 制自 支 撑 简 单 严 重
