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1、第卷第期 年月 公 尸 , 学学报 从 , , 声学学报创刊周年纪念论文 声矢量传感器研究进展 孙贵青李启虎 中国科学院声学研究所北京 年月 日收到 摘要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
2、 。 数 , 几 乞 , 乞二,乞二 , , , 即 , 叮 , , , ” 引言 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 , , , 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
3、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 , 将声矢量传感器称为复合接收器 美国等将声矢量传感器还称为声压 一 振速 传感器 一一, 还有 的称其为声强探头 。 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
4、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 , 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 , 直至上一世纪 学学年 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 。 年的 美国声学杂志第卷第期和第卷第期连 着刊 出美俄两 国学者三篇有关
5、声矢量传感器研究方 面的论文【 一 , 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 于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 。 年俄国学者出版的专著 “复 合水声接收器 ” 自成体系 , 专门论述声矢量传 感器的设计 、 制作和校准等 。 年美国海军水下 战中心举办了关于指 向性声传感器的研讨 会呻 , 首次邀请俄国学者
6、参加 。 年的 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 。 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 和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
7、 声技术之一 。 国内的相关工作可追溯到上一世纪九十年代初 有关声压梯度水听器和 双水听器声强测量等研究工 作 。 但真正较深入开始研究的时间在年以后 , 年松花湖实验和年大连海试是 国内最早 的两次关于 声矢量传感器技术的外场实验 , 随后 的 年密云水库实验和年东海 、 南海声矢量传 感器线阵实验 , 作者都有幸参加了这些实验和相关 研究工作 。 测量声场质点振速的想法很早就有于 年在其著名的文章 , 中已经演示了测量声波均 方质点振速 的可能性 , 并以此确定声强 , 这种装置 就是空气声学中常说的盘 。 之后 的 等人都试图测量声能流密度 , 但由于质点振速测 量的复杂性 , 这些努力
8、没有得到真正的回报 。 而现 在水声工程中所采用的大多数声矢量传感器工作原 理 、 基本形式和主要 的设计理念均基于等人的 观点 , 因此本文重点阐述从年之后直到现在 , 即年的声矢量传感器技术的发展过程以及所取 得的一些有价值的研究成果 。 鉴于 声矢量传感器技术作为一种新兴 的水声技 术 , 试图全面综述其过去和现在的技术状态都是比 较困难的 , 尽管如此但这也从另一个侧面反映了声 矢量传感器技术涉及到的许多理论性和工程性问题 非常值得深入研讨 。 正如文献所写的那样 , 声矢 量传感器水声应用才刚刚新兴 , 还需要做许多工作以 评估这类传感器的优势 , 但显而易见 , 通过测量完整 的声
9、场物理量即声压标量和质点振速矢量重新深 入研究这一课题是非常有益的 。 作者力求本文立足 于能够客观 、 全面地反映问题 , 希望能够为正在从事 或即将从事该方向研究的科研学者提供些许帮助 。 本文首先综述声矢量传感器技术的物理基础 , 回答为什么需要声矢量传感器 , 它 的应用基础 在哪 等类似的概念性问题然后是传感器自身的发展 概况 , 从中可以体会到 , 如何才能拥有高性能的声矢 量传感器最后是基于声矢量传感器及其阵列的信号 处理技术 , 从理论和实验两方面综述声矢量传感器工 程应用的这一重要基础 。 限于篇幅 , 本文重点综述前 两点 , 至于后者则单独成文在后续文章中给出 。 物理基
10、础 声矢量传感器作为水声物理量的测量设备 , 其 出现 、 发展和应用都与水声物理基础息息相关 , 本节 从声能流密度 、 指 向性传感器 、 信号声压和质点振速 之间的相干性 、 噪声声压和质点振速之间的空间相 关性四个方面分别阐述声矢量传感器原理和应用 的 物理背景 。 声能流 密度 由传统的声压水听器测量可 以得到声场势能密 度 , 这是最常用的声场能量形式 , 但是声矢量传感器 除此之外还可以得到声场动能密度和声能流 , 这些概 念对于正确理解声矢量传感器测量结果至关重要 , 而且往往被忽视 , 因此有必要作简要 的概述 , 而更系 统 、 具体的理论可参见文献 。 对于水声学 的正问
11、题求解而言 , 基于速度势的 简谐声场理论已经相当完善 , 原则上可以通过求解 含边界条件的亥姆霍兹方程 , 只要存在速度势函数 少 的解析形式 , 就可以由下式完整地确定声压和 期孙贵青等声矢量传感器研究进展 质点振速的解析形式 口毋 丽 , ” 一甲毋 并由此得到如下的声场能量形式 刀 娜 一 涵 , “一 百 , “一”叭 它们分别是声压势能密度凡 , 质点振速动能密度 。, 瞬时声能流密度 , 也称瞬时声强 , 这三者之间 的关 系由下面的声能守恒方程联系 。, , 。 的表达式中忽略该项 , 得 , , 。 , 沪 , , , 、 气少八少 由此可得有功声强和无功声强分别为 引 ,
12、动 二 二上闲讥洲 公 “ 一 , 一 赫 甲 ,” 擎 十二一 。 , 一 凡 十 。 声波 的机械能 口不 声场的绝大多数研究是集中在与声压有关的声波势 能密度上 , 而在与质点振速有关 的声波动能密度和声 能流密度方面的相应研究甚少 , 讨论的也仅仅是一些 简单的情况 , 如平面行波场 、 驻波场 , 球面行波场 , 简 单波导声场等 。 从上述声能守恒方程中可以看出 , 声 能流密度更适合于揭示声波能量 “流动” 的一般性规 律叫 。 为什么会出现这些现象归结到一点 , 那就 是缺少相应的质点振速测量设备 , 在没有声矢量传 感器出现之前 , 基于 声压水听器的水声测量技术已 经相当完
13、善 , 这是造成许多水声学正 问题求解以声 压量和 声压势能密度为研究对象的根本原因 , 因为 实验测量是水声学研究的物理基础 。 由此推想到水 声学反问题 , 出现声压水听器占据统治优势也就不 足 为奇 。 是否 声学研究的初期就忽视了这些问题 事实显然不是这样的 。 继于年提出测 量声波质点振速 以来 , 之后 的等人都试图测 量声能流密度 , 但 由于质点振速测量的复杂性使得 研究一筹莫展 , 这种情况一直持续到等人的 论文发表 。 正因为声能流密度或声强概念在声矢量传感器 技术中有着特殊的地位 , 所以需要进一步认识它的 一些应用 形式和所对应的物理意义 。 首先引入复声 强 , 即
14、, , 。尹 , , 、 。, , 由上式可以看出 , 有功声强与波阵面的传播方 向一 致 , 因此 , 它表示向远处传播的能量无功声强与声 压振幅平方的梯度方向重合 。 一般 , 有功声强的方向 不一定和无功声强 的方向重合 , 它们之间的关系由 两者之间 的相位差确定 , 有功声强和无功声强 的相 位差定义为 , , 司 二 一 云 , , 。 , , 。 对于简谐声波 , 有 沪 , , 、 一 甲 哟 哟甲试哟 因为有功声强表示向远处传播的声能 , 所以利用有 功声强在 , 上的正交投影, 二, , , 。, , 二 可 以估计声源的水平方位角功以及声源 二 轴的夹角 功 , , 。
15、一 , , , 。 , , 二 , , 司 , , 、 , 加 , 尸 二、 一 功 ,山、 产 , 、 , 二 , 。 式中 , 符号 。表示频率 , 上标表示复共辘 。 可 , , 司 和 。, , 分别是 尹 , , 和 。, , 的变换 , 由公式可见 , 复声强定义在频域上 。 复声强还可以表 示为有功声强和无功声强的形式 利用上两式可在全空间上对声源进行无模糊定向 。 指向性传感器 传感 器的指向性是抑制噪 声和干扰的主要指 标 , 常用的声压水听器是无指向性的 , 即全向接收 , 不具有噪声和干扰的抑制能力 , 而声矢量传感器所 包含 的质点振速传感器则 刚好相反 , 且其尺寸远
16、小 于波长 。 因此除了声能流密度测量需要之外 , 声矢量 传感器还可以利用其良好的低频指 向性仅在声场一 点处就能够确定声源的方位 , 而所需的孔径远小于 声波波长 , 这可由下式作出解释 抓哟抓 ,。, 一 , 饰 二二二。 , , 。 , , 、 , 乞二 , , 田 , 告 一 甲饰,一 一 , 式中 , 哟称 为有功声强 , 表示向远处传播的 声能界 , , 。 称为无功声强 , 表示不传播的声能 。 对于简谐波 , 含频率项的函数不影响问题的讨 论 , 因此在声压和质点振速 的变换 二 , 司和 上式将声压在声场一点 ,。 处进行级数展开 得到的 , 实质上它定义了一类指向性传感器第一项 是标量声压传感器 , 仅测量声压 , 称为零阶指向睦传 感器前二项构成声矢量传感器 , 同步共点测量声压 声学学报年 和声压梯度 甲 , 称为一阶指 向性传感器前三项构 成声并矢传感器 , , 同步共点测量声压 、 声 压梯度 夕 和 二阶声压梯度 甲甲夕 , 称为二阶指 向性 传感器 , 依此类推可 以得到更高阶次的指向性传感 器 , 则相应
