[科普中國]-水聽器

基本概念

水聲換能器是將電信號轉(zhuǎn)換為水聲信號或?qū)⑺曅盘栟D(zhuǎn)換為電信號的器件，其在聲納中的地位類似于無線電設(shè)備中的天線，是在水下發(fā)射和接收聲波的聲學(xué)器件。將電信號轉(zhuǎn)換成水聲信號的換能器，用來向水中輻射聲波，稱為發(fā)射換能器。將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號的換能器，用來接收水中的聲信號，稱為接收換能器，也常稱為水聽器。

分類根據(jù)作用原理、換能原理、特性及構(gòu)造等的不同，有聲壓、振速、無向、指向、壓電、磁致伸縮、電動（動圈）等水聽器之分。水聽器與傳聲器在原理、性能上有很多相似之處，但由于傳聲媒質(zhì)的區(qū)別，水聽器必須有堅固的水密結(jié)構(gòu)，且須采用抗腐蝕材料的不透水電纜等。

聲壓水聽器探測水下聲信號以及噪聲聲壓變化并產(chǎn)生和聲壓成比例的電壓輸出。聲壓水聽器是水聲測量中不可少的設(shè)備，是被動聲吶系統(tǒng)中的核心部分。根據(jù)所用靈敏材料的不同，聲壓水聽器可以分為：壓電陶瓷聲壓水聽器、PVDF 聲壓水聽器、壓電復(fù)合材料聲壓水聽器和光纖聲壓水聽器。

在水聲領(lǐng)域，通常，將傳感器稱為換能器，接收換能器主要包括標(biāo)量傳感器和矢量傳感器，也叫標(biāo)量水聽器和矢量水聽器。在聲場測量中，傳統(tǒng)的方法是采用標(biāo)量水聽器（聲壓水聽器），只能測量聲場中的標(biāo)量參數(shù)，典型的標(biāo)量水聽器如B&K公司的810X系列，常作為水聽器標(biāo)準(zhǔn)使用。矢量水聽器可測量聲場中的矢量參數(shù)，它的應(yīng)用有助于獲得聲場的矢量信息，對聲納設(shè)備的功能擴(kuò)展具有極為關(guān)鍵的意義。

矢量水聽器在連續(xù)介質(zhì)中，任意一點附近的運動狀態(tài)可用壓強(qiáng)，密度及介質(zhì)運動速度表述。聲場中不同地點，這些物理量有不同的值，具有空變性，而且，對同一空間坐標(biāo)點這些量又是隨時間改變的，又具有時變性。因此，描述聲場的聲學(xué)量聲壓、質(zhì)點振速和壓縮量都是時間和空間的函數(shù)。在理想流體中，沒有切應(yīng)力，所以，聲壓為標(biāo)量，質(zhì)點振速為矢量。聲場所含豐富信息既包含在標(biāo)量參數(shù)中也包含在矢量參數(shù)中，在聲場測量過程中，僅測量聲壓參數(shù)是不夠的。同時測量標(biāo)量信息和矢量信息即聲壓和質(zhì)點振速才能獲得完整的聲場信息，這樣，才能有助于信號處理系統(tǒng)獲得更有價值的信息，并作出正確的判斷。例如:采用新型組合傳感器（聲壓和振速聯(lián)合）的聯(lián)合信息處理系統(tǒng)較傳統(tǒng)的單純聲壓信息處理系統(tǒng)具有良好的抗相干干擾能力和線譜檢測能力；采用單個小尺度的組合傳感器通過聯(lián)合信號處理，就可以進(jìn)行目標(biāo)方位的聲壓、振速聯(lián)合估計。此外，從能量檢測的角度講，矢量水聽器的采用使系統(tǒng)的抗各向同性噪聲的能力獲得提高，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)場多目標(biāo)的識別等。矢量水聽器的研究工作受到極大重視。因此，包括矢量信息在內(nèi)的多信息檢測是聲納系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢，正越來越被各個海軍大國所重視。

隨著技術(shù)地不斷發(fā)展，技術(shù)需求越來越多，為滿足岸站建設(shè)的需要，服務(wù)海岸預(yù)警聲納系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測、識別，低頻檢測能力日益顯得重要。另外，由于核動力潛艇的出現(xiàn)，潛艇隱身等新技術(shù)的普遍采用，反潛問題受到各國空前的重視。一種有效的方法是轉(zhuǎn)向測試螺旋槳低頻噪聲，安靜型潛艇和艦船的本征噪聲都在低頻段，這就需要低頻段的矢量水聽器。即要求探測換能器具有低頻檢測能力。低頻三維空間全向矢量檢測器己成為新的技術(shù)需求。這種低頻矢量水聽器的研制成功可以預(yù)期解決遠(yuǎn)程傳播低頻信號的檢測問題。同時，隨著目標(biāo)信號的減弱，高靈敏度檢測問題也變得迫切1。

光纖水聽器光纖水聽器是利用光纖技術(shù)探測水下聲波的器件，它與傳統(tǒng)的壓電水聽器相比，具有極高的靈敏度、足夠大的動態(tài)范圍、本質(zhì)的抗電磁干擾能力、無阻抗匹配要求、系統(tǒng)“濕端”質(zhì)量輕和結(jié)構(gòu)的任意性等優(yōu)勢，因此，足以應(yīng)付來自潛艇靜噪技術(shù)不斷提高的挑戰(zhàn)，適應(yīng)了各發(fā)達(dá)國家反潛戰(zhàn)略的要求，被視為國防技術(shù)重點開發(fā)項目之一2。

原理光纖水聽器按原理可分為干涉型、強(qiáng)度型、光柵型等。干涉型光纖水聽器關(guān)鍵技術(shù)己經(jīng)逐步發(fā)展成熟，在部分領(lǐng)域己經(jīng)形成產(chǎn)品，而光纖光柵水聽器則是當(dāng)前光纖水聽器研究的熱點。

光纖光柵水聽器是以光柵的諧振禍合波長隨外界參量變化而移動為原理。目前光纖光柵水聽器一般基于光纖布拉格（Bragg）光柵構(gòu)造，如圖1所示。

圖1

當(dāng)寬帶光源（BBS）的輸出光波經(jīng)過一個光纖布拉格光柵（CFBG）時，根據(jù)模式耦合理論可知，波長滿足布拉格條件：

的光波將被反射回來，其余波長的光波則透射。式中 為FBG的諧振耦合波長，也即中心反射波長， 為纖芯有效折射率，n為光柵柵距。當(dāng)傳感光柵周圍的應(yīng)力隨水中聲壓變化時，將導(dǎo)致 或n的變化，從而產(chǎn)生傳感光柵相應(yīng)的中心反射波長偏移，偏移量由

確定，這樣就實現(xiàn)了水聲聲壓對反射信號光的波長調(diào)制。所以，通過實時檢測中心反射波長偏移情況，再根據(jù)各參數(shù)與聲壓之間的線性關(guān)系，即可獲得聲壓變化的信息。

特點（1）低噪聲特性。光纖水聽器采用光學(xué)原理構(gòu)成，靈敏度高，由于其自噪聲低的特性決定了其可檢測的最小信號比傳統(tǒng)壓電水聽器要高2-3個數(shù)量級，這使弱信號探測成為可能.

（2）動態(tài)范圍大。壓電水聽器的動態(tài)范圍一般在80-90dB，而光纖水聽器的動態(tài)范圍可以到120-140dB。

（3）抗電磁干擾與信號串?dāng)_能力強(qiáng)。全光光纖水聽器信號傳感與傳輸均以光為載體，幾百兆赫以下的電磁干擾影響非常小，各通道信號串?dāng)_也十分小。

（4）適于遠(yuǎn)距離傳輸與組陣。光纖傳輸損耗小，適于遠(yuǎn)距離傳輸.光纖水聽器采用頻分、波分及時分等技術(shù)進(jìn)行多路復(fù)用，適于水下陣列的大規(guī)模組陣。

（5）信號傳感與傳輸一體化，提高系統(tǒng)可靠性。激光由光源發(fā)出，經(jīng)光纖傳輸至光纖水聽器，并在拾取聲信號后再經(jīng)光纖傳回到岸上或船上的信號處理設(shè)備，水下無電子設(shè)備。另外，光纖對水密性要求低，耐高溫、抗腐蝕，這些都將大大提高系統(tǒng)的可靠性.

（6）工程應(yīng)用條件降低。采用全光光纖水聽器的聲納系統(tǒng)，探測纜及傳輸纜皆為光纜，重量輕體積小，系統(tǒng)容易收放，使過去無法實現(xiàn)的方案成為可能，特別對拖曳陣列，由于工程應(yīng)用條件的降低而使許多問題簡單化。

應(yīng)用光纖水聽器的主要軍事應(yīng)用包括：全光纖水聽器拖曳陣列、全光纖海底聲監(jiān)視系統(tǒng)、全光纖輕型潛艇和水面艦船共形水聽器陣列、超低頻光纖梯度水聽器、海洋環(huán)境噪聲及安靜型潛艇噪聲測量。光纖振速型矢量水聽器，可探測其“次聲”峰值噪聲，布陣后適合作海岸警戒聲納，探測安靜型潛艇、海嘯預(yù)警。具有易于多單元復(fù)用、能夠電無源工作、長距離信號傳輸能力強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢。微光學(xué)結(jié)構(gòu)光纖水聽器技術(shù)是直接將傳感器刻在光纖上，具有體積小、易于波分復(fù)用、制作工藝相對簡單、性能可靠等優(yōu)點，適用于大型岸基海域防衛(wèi)警戒系統(tǒng)、艦載聲納陣、海洋噪聲監(jiān)測陣等應(yīng)用場合，尤其是水聽器拖曳陣應(yīng)用場合。