水听器指向性

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作者简介：李书光（%&’()），男（汉族），山东莱州人，副教授，硕士，从事应用声学研究。文章编号：%"""$*+,"（!""#）"!$"%#!$"!

单指向性水听器指向性影响因素的研究

李书光，张军，胡松青

（石油大学应用物理系，山东东营!*,"’%）

摘要：对二元相控阵单指向性水听器的指向性影响因素进行了理论分析，并对部分影响因素进行了实验验证。

结果表明，两个基元输出信号的幅值发生变化，或者其移相角度发生漂移，都会对单指向水听器的性能产生影响。

这为单指向性水听器的设计制作提供了一定的参考依据。

关键词：水听器；基阵；基元；指向性函数；单指向性

中图分类号：-(!, 文献标识码：.

! 水听器的指向性函数

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影响移相角度的因素比较多，如接受声波的频

率发生变化、移相电路工作不稳定以及噪声（如放大

电路热噪声、测量环境噪声）干扰等。以(/#&"

;<=作为接收声波的中心频率确定电子移相角度，

通过改变接收声波的频率来观察移相角度变化对水

听器指向性的影响。对中心频率(/#&";<=的接

收声波，移相角度应为#/!)#%/"&+’!!。水听

器指向性的测试结果见图!。

!""#年第!,卷石油大学学报（自然科学版） ?6@A!, B6A!

第!期C6DEF:@6GHI0JFKL0E7KHM6GN0HE6@0D9，OIKF: .2EA!""#

第)2 卷第) 期李书光等单指向性水听器指向性影响因素的研究· 11! ·图! 水听器指向性理论曲线

图" 水听器指向性实验曲线

（（#）和图!"），

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基元输出信号幅值不相等和移相角度发生漂移且

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参考文献：

］

［!］李书光等+单指向性水听器的研究［,+石油大学学报，.，（!）!%(/!!%+

（自然科学版）!)%：

［)］何祚镛赵玉芳+声学理论基础［0 ］

+北京国防工业出

版社，-

!(!+

（责任编辑刘为清）

水听器指向性

收稿日期：!""#$"%$%% 作者简介：李书光（%&’()），男（汉族），山东莱州人，副教授，硕士，从事应用声学研究。文章编号：%"""$*+,"（!""#）"!$"%#!$"! 单指向性水听器指向性影响因素的研究 李书光，张军，胡松青 （石油大学应用物理系，山东东营!*,"’%） 摘要：对二元相控阵单指向性水听器的指向性影响因素进行了理论分析，并对部分影响因素进行了实验验证。 结果表明，两个基元输出信号的幅值发生变化，或者其移相角度发生漂移，都会对单指向水听器的性能产生影响。 这为单指向性水听器的设计制作提供了一定的参考依据。 关键词：水听器；基阵；基元；指向性函数；单指向性 中图分类号：-(!, 文献标识码：. ! 水听器的指向性函数 由二元基阵水听器的基元排列方式及其声波的 入射方向［%］，两个基元的输出电压信号分别为 !%/!%"012［3（!")#$）］，（%） !!/!!"012｛3［!")#（$4%567"）4#］｝&（!） 式中，!为振动角频率；#为波数；%为两基元相位 中心距离；$和"分别为声波传播距离与时间；"为 声波水平方向入射角度；#为电子移相角度；!%" 和 !!" 为两基元电信号输出幅值。 两基元输出信号合成后信号的幅值为 !!!/［!!%"4!!!"4!!%"!!"567（#)#%567"）］%／!& （#） 如果两个基元的电信号输出幅值不完全相等， 具有关系!%"/（%4$）!!" ，且电子移相角度发生 漂移%#，即有#/&)#%4%#，则式（#）变为 !!!/!!"

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光纤水听器综述

光纤水听器及阵列综述 马宏兰周美丽 （天津师范大学电子与通信工程学院） 摘要：为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要 ,在光纤技术不断发展的基 础上 ,光纤水听器应运而生。光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水下声传感器 ,因其在军事、民用各领域应用广泛 ,目前光纤水听器在国内外发展迅速 ,已经到达实用状态。全光光纤水听器系统的湿端采用全光实现,信号传感与传输皆基于光纤技术。具有抗电磁干扰、重量轻和造价低等优点。文章简述了光纤水听器的发展历史、现状 ,论述了光纤水听器阵列的原理及其应用前景。 关键词：光纤水听器多路复用技术阵列 0引言：在光纤水听器的实际应用中，由于水下声场的复杂性，单元水听器很难获得目标的详细信息，因而需要将数百乃至上千个探测基元组成大的阵列，以获得更多水声场信息，通过水听器阵列完成声场信号的波束形成，实现对水下目标的定位与指向。在2003年8月下水的美国最新型攻击核潜艇上，装备的舷侧阵就由2 700个光纤水听器基元组成【1】。对于大规模的光纤水听器阵列，多达数十上百基元的光纤水听器光信号都是由同一根光纤传输的，在实际系统中，这种性能就是由光纤水听器的多路复用技术实现的。可见多路复用是光纤水听器的核心技术。 1 光纤水听器的开发 自1976年美国Bucar等人发表第一篇有关光纤水听器的论文【2】以来, 各工业发达国家的海军研究部门以及有关的研究和工业部门都在积极从事光纤水听器的研究和开发,尤其以美国最为突出。美国海军研究实验室、美国海军研究生院和Litton制导和控制公司等先后研究开发了Maeh一Zehnder、Michelson 干涉仪的光纤水听器, 主要结构有心轴型、互补型(推挽式) 、平面型和椭球弯 张式等光纤水听器。这些结构水听器达到的归一化灵敏度(△。/ 。△P）为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要 ,在光纤技术不断发展的基础上 ,光纤水听器应运而生。光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水下声传感器 ,因其在军事、民用各领域应用广泛 ,目前光纤水听器在国内外发展迅速 ,已经到达实用状态。各国对光纤水听器的研究投入了大量人力和物力，技术也日益娴熟。 2、多路复用的阵列体系结构 阵列体系分为以下六大部分，其中时分/ 波分混合复用技术是其关键有效手段。 1 ) 频分复用(FDM) 【3】相位产生载波(PGC)问询的体系结构—美国海军研究实验室已用此方案对总数48 个单元水听器成网组成的阵列成功地进行了海上试验, 证实了这种体系结构的低阐值检测能力和低的串扰。 2) 时分复用(TDM) 相位产生载波问询的体系结构—美国海军研究实验室已作了10 单元的光纤水听器阵列演示, 证实了其低的光背景噪声和低的串扰。

光纤激光水听器的基本原理,国内外光纤激光水听器的研究进展以及发展趋势

光纤激光水听器的基本原理,国内外光纤激光水听器的研究进展以及发展趋 势 一、引言 声波是人类已知的唯一能在海水中远距离传输的能量形式。水听器(Hydrophone)是利用在海洋中传播的声波作为信息载体对水下目标进行探测以及实现水下导航、测量和通信的一类传感器。由于水下军事防务上的要求和人类开发利用海洋资源的迫切需要，水听器技术得到空前的发展。传统的水听器包括电动式、电容式、压电式、驻极体式，等等。 20世纪70年代以来，伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展，光纤水听器逐渐成为新一代的水声探测传感器。与传统水听器相比，其最大优点是对电磁干扰的天然免疫能力。此外，光纤水听器还具有噪声水平低、动态范围大、水下无电、稳定性和可靠性高、易于组成大规模阵列等优点。现有的光纤水听器包括光强度型、干涉型、偏振型、光栅型等。其中，光纤激光水听器(FLH)就是一种光栅型水听器，但由于它的传感元件光纤激光器(又称有源光纤光栅)相比于无源光纤光栅具有高功率和极窄线宽的特点，配合上基于光纤干涉技术的解调方法，它的微弱信号探测能力相比于普通的无源光纤光栅水听器可以提高几个数量级。 压电式水听器和干涉式光纤水听器是目前应用最广泛的水声探测器件。与干涉式光纤水听器相比，压电式水听器技术更加成熟，结构和制作工艺更简单，大规模生产时一致性可以得到相对较好的控制。但是，防漏电、耐高温、长距离传输、动态范围大则是光纤水听器最大的优势。尤其在一些特殊领域(例如高温高压的深井油气勘探领域)有着比压电水听器更为广阔的应用前景。与干涉式光纤水听器相比，光纤激光水听器的最大优势在于易复用，即“串联即成阵”。同时，受弯曲半径影响，干涉式光纤水听器的体积较大，水听器直径通常大于1cm。而由于光纤激光型水听器结构简单，传感单元仅为一根光纤的尺寸，光纤激光水听器外径可细至4～6mm。当然，受光纤激光器本身弦振动及系统1/f噪声影响，加速度响应较大、低频段噪声相对较高是目前光纤激光型水听器存在的主要问题之一，有

光纤水听器原理与应用综述(1)

光纤水听器原理与发展现状 袁虎邓华秋 （华南理工大学物理系广州510640） 摘要光纤水听器由于其特有的抗电磁干扰、体积小等特点，在军事、民用方面有着广泛应用。本文简介了光纤水听器的基本原理，并分别对强度调制型、干涉型和光栅型光纤水听器进行了简单的介绍。在现在的光纤水听器的应用中，点式的传感已不能满足现在的大规模集成化要求，因此分布式光纤水听器也是近期的研究热点。文中介绍了两种分布式光纤水听器的技术方案，分别是OTDR和FMCW技术。与此同时由于光纤激光器的发展，其良好的单色性和稳定性可以用于优良的光源，把它用到干涉型光纤水听器中可以极大程度的提高光纤水听器的性能。 关键词：光纤水听器；FMCW；光纤激光器 1.光纤水听器简介 声波作为一种机械波，可以在海水中进行远程能量传递，而其他类型的能量场在水中衰减很快，因此，声波是海洋深层信息收集、传递和处理的最重要形式[1]。水声传感器简称水听器，是在水中侦听声场信号的仪器。它作为反潜声纳的核心部件，在军事领域中有着重要的应用；在工业生产和民用领域，也有着广泛的用途，如用于海洋石油和天然气的勘探、地震预测、水声物理研究、海洋气候以及渔业等众多方面。 早期的水听器主要有压电陶瓷制成的压电水听器。但随着应用的深入，基于压电陶瓷传感元件的水听器出现了许多不足之处。如对电磁场的敏感性，电缆负载、连接电缆的共振效应，同时利用压电陶瓷进行点传感的技术难度和成本也十分困难。正是由于传统压电式水听器存在这些问题，随着光纤和激光技术的发展，人们研制出了一种基于光纤光电子技术的新型水听器-光纤水听器。它的研究始于冷战时期，由于反潜战的需要，美国海军开始了光纤水听器的研究。[2,3]1977年布卡诺等人发表首篇关于光纤技术的水声传感系统的论文[4]。 光纤水听器由于传感头部分不用使用电，而是通过光来传输信号，所以具有抗电磁干扰、电绝缘、动态范围宽、稳定可靠性高、灵敏度不受水流静压力和频率的影响、可以进行远距离测量、探头体积小、方便构成大规模阵列等众多优点。所以，光纤水听器的研究越来越受到各国的重视[4]。 2.光纤水听器原理

超声 水听器 40MHz以下超声场用水听器的校准

超声水听器40MHz以下超声场用水听器的校准 1 范围 YY/T 0865的本部分规定了： ——水听器的绝对校准方法； ——水听器的相对（比较）校准方法。 对本部分所覆盖频率范围内的各种相对和绝对校准方法提出了建议。 本部分适用于： ——在水中且在40MHz以下频率范围内测量所用的水听器； 注1：在医用超声领域，尽管一些工作在40kHz~100kHz频率范围的理疗医学应用正在不断发展，但影像诊断的主要频率范围仍保持在2MHz以上。最近已经确认，即使在后一种情况下（频率在2MHz以上），水听器在较低频段的响应也会影响关键声学参数的测量[1]。 ——采用圆形敏感元件制成，设计用于测量超声设备产生的脉冲波或连续波声场的水听器； 注2：一些水听器可能具有非圆形的敏感元件，例如因电极结构引起的对圆形结构的轻度偏离，或者反过来，其敏感元件实际上是方形的。即便如此，本部分中的条款依然有效，但宜特别关注指向性响应和通过各个旋转轴的敏感元件的有效半径。 ——带有或不带有水听器前置放大器的水听器。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 IEC 60050-801 国际电工术语声学和电声学（International Electrotechnical V ocabulary –Chapter 801: Acoustics andelectroacoustics） IEC 60565:2006水声水听器0.01Hz~1MHz频率范围内的校准（Underwater acoustics - Hydrophones - Calibration in the frequency range 0,01 Hz to 1 MHz） IEC 61161 声学超声功率测量辐射力天平法及性能要求（Ultrasonics –Power measurement –Radiation force balances and performance requirements ） IEC 61828 声学聚焦超声换能器发射场特性的定义与测量方法（Ultrasonics - Focusing transducers - Definitions and measurement methods for the transmitted fields） IEC 62127-1：2007超声水听器第1部分：40MHz以下医用超声场的测量和特征描绘（Ultrasonics - Hydrophones - Part 1：Measurement and characterization of medical ultrasonic fields up to 40 MHz）修正案1：2013 IEC 62127-3 超声水听器第3部分：40MHz以下超声场用水听器的特性（Ultrasonics - Hydrophones - Part 3：Properties of hydrophones for ultrasonic fields up to 40 MHz） 3 术语、定义和符号 IEC 62127-1:2007+修正案1:2013界定的以及下面的术语适用于本部分。 3.1

超声 水听器 第2部分：40MHz以下超声场用水听器的校准

超声水听器第2部分：40MHz以下超声场用水听器的校准 1 范围 YY/T 0865的本部分规定了： ——水听器的绝对校准方法； ——水听器的相对（比较）校准方法。 对本部分所覆盖频率范围内的各种相对和绝对校准方法提出了建议，并列出了可供参考的文献。 本部分适用于： ——在水中且在40MHz以下频率范围内测量所用的水听器； 注1：在医用超声领域，尽管一些工作在40kHz~100kHz频率范围的理疗医学应用正在不断发展，但影像诊断的主要频率范围仍保持在2MHz以上。最近已经确认，即使在后一种情况下（频率在2MHz以上），水听器在较低频段的响应也会影响关键声学参数的测量[1]。 ——采用圆形敏感元件制成，设计用于测量超声设备产生的脉冲波或连续波声场的水听器； 注2：一些水听器可能具有非圆形的敏感元件，例如因电极结构引起的对圆形结构的轻度偏离，或者反过来，其敏感元件实际上是方形的。即便如此，本部分中的条款依然有效，但宜特别关注指向性响应和通过各个旋转轴的敏感元件的有效半径。 ——带有或不带有水听器前置放大器的水听器。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 IEC 60050-801 国际电工术语声学和电声学（International Electrotechnical V ocabulary –Chapter 801: Acoustics andelectroacoustics） IEC 60565:2006水声水听器0.01Hz~1MHz频率范围内的校准（Underwater acoustics - Hydrophones - Calibration in the frequency range 0,01 Hz to 1 MHz） IEC 61161 声学超声功率测量辐射力天平法及性能要求（Ultrasonics –Power measurement – Radiation force balances and performance requirements ） IEC 61828 声学聚焦超声换能器发射场特性的定义与测量方法（Ultrasonics - Focusing transducers - Definitions and measurement methods for the transmitted fields） IEC 62127-1：2007超声水听器第1部分：40MHz以下医用超声场的测量和特征描绘（Ultrasonics - Hydrophones - Part 1：Measurement and characterization of medical ultrasonic fields up to 40 MHz）修正案1：2013 IEC 62127-3 超声水听器第3部分：40MHz以下超声场用水听器的特性（Ultrasonics - Hydrophones - Part 3：Properties of hydrophones for ultrasonic fields up to 40 MHz） 3 术语、定义和符号 IEC 62127-1:2007+修正案1:2013界定的以及下面的术语适用于本部分。 3.1

第1章 水听器测声场声功率-陆明珠 方莉

第1章水听器测量超声换能器辐射声压、声功率 1.1 实验目的 1、学习PVDF（聚偏氟乙烯）针式水听器（PVDF Needle Hydrophone）、膜式水听器（Membrane Hydrophone）、光导纤维水听器（FOPH, Fiber Optic Probe Hydrophone）的声压测试原理和辐射力天平测量声功率的测试原理，将其用于测量超声换能器辐射声压和声功率。 2、用PVDF针式水听器、膜式水听器HMA-0200、光导纤维水听器FOPH2000测量单阵元聚焦超 声换能器的辐射声压，掌握实验步骤和过程。 3、比较三种水听器的优缺点和适用范围。 1.2 数学物理原理 1.2.1 PVDF针式水听器（PVDF Needle Hydrophone）[1] 水听器是把水下声压信号转换为电信号的换能器。当压电材料上的压力(声扰动)发生变化时，压电材料内部的电荷分布就会成比例地发生变化并且会以电压信号的形式体现出来，因此可通过压 电元件表面上的电极提取这些电荷，经电压放大器或电荷放大器放大后，由信号处理示波器显示出 能反映声波波形的图像,这样就以很直接的方法完成了超声声场中声压的测量。 目前所采用的水听器主要有PVDF（Polyvinylidene Fluoride）针式水听器，PVDF膜式水听器以 及光导纤维水听器FOPH。PVDF材料由于灵敏度高和声阻抗优在电声换能器得到广泛应用。下面首 先介绍PVDF针式水听器。 顾名思义，PVDF针式水听器是针形的。针式水听器由于直径很小因而可检测测量点的声压，实际上是针式水听器直径尺寸范围的平均声压；原则上针式水听器的直径越小越好，至少小于声场的1个波长，如15MHz的声场，则针式水听器的直径要小于0.1mm。针式水听器是测量声场和声压的首选换能器（一级标准测量工具），适合连续波和脉冲波的测量。针式水听器针尖上有一层通常为几个微米厚的PVDF薄膜，现在可以做到9－28μm的膜厚，这层薄膜就相当于一个高灵敏度的压电换能器，能将接收到的声压信号转换为相应的电压信号，目前换能器直径可做到40μm－1mm，在1－35MHz 频率范围针式水听器具有平坦的测量特性。 针式水听器及其原理图如下所示： (a) 针式水听器外观图(b) 针式水听器原理结构图 图1.1 针式水听器结构及外形[1] 由于水听器针尖的聚偏氟乙烯薄膜非常脆弱，因此使用针式水听器时注意不能用手或任何其他物体碰水听器针尖。清洗水听器时，用蒸馏水轻轻冲洗。

超声 水听器 第3部分：40 MHz以下超声场用水听器的特性(标准状态：现行)

I C S11.040.50 C41 中华人民共和国医药行业标准 Y Y/T0865.3 2013/I E C62127-3:2007 超声水听器第3部分: 40MH z以下超声场用水听器的特性 U l t r a s o n i c s H y d r o p h o n e s P a r t3:P r o p e r t i e s o f h y d r o p h o n e s f o r u l t r a s o n i c f i e l d s u p t o40MH z (I E C62127-3:2007,I D T) 2013-10-21发布2014-10-01实施国家食品药品监督管理总局发布

Y Y/T0865.3 2013/I E C62127-3:2007 前言 Y Y/T0865‘超声水听器“分为三个部分: 第1部分:40MH z以下医用超声场的测量和特征描绘; 第2部分:40MH z以下超声场用水听器的校准; 第3部分:40MH z以下超声场用水听器的特性三 本部分为Y Y/T0865的第3部分三 本部分按照G B/T1.1 2009给出的规则起草三 本部分等同采用国际电工委员会标准I E C62127-3:2007‘超声水听器第3部分:40MH z以下超声场用水听器的特性“三 与本标准中规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下: Y Y/T0865.1 2011超声水听器第1部分:40MH z以下医用超声场的测量和特性描绘(I E C62127-1:2007,I D T) 本部分对I E C62127-3:2007仅作了极少量编辑性的修改,均不影响一致性程度三 本部分由国家食品药品监督管理总局提出三 本部分由全国医用电器标准化技术委员会医用超声设备标准化分技术委员会(S A C/T C10/S C2)归口三 本部分起草单位:国家食品药品监督管理局湖北医疗器械质量监督检验中心三 本部分主要起草人:王志俭二蒋时霖三 Ⅰ

光纤水听器在海洋中的应用

光纤水听器在海洋中的应用 光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光学相干检测，将水声振动转换成光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。它具有灵敏度高，频响特性好等特点。由于采用光纤作信息载体，适宜远距离大范围监测。 在美国最为先进的新型核潜艇——“弗吉尼亚”级潜艇中，为了提高反潜、反舰和远程侦察能力，装备了大孔径阵列光纤声学传感器系统，即光纤水听器。它利用光纤和激光技术把目标在水中传播的声音信号转化为光学信息，从而使“弗吉尼亚”级潜艇能够精准识别和跟踪目标。光纤水听器就像人类洞察汪洋的一双“慧眼”，难怪美国海军研究实验室光纤水听器的研究人员曾经自豪地说：“属于光纤水听器技术的时代已经到来！” 一、光纤水听器的优势 看似安宁的海洋，其实从来都不平静。声波是目前人类知道的唯一能够在水中远距离传播的物质，而光和电磁波在水中传播时很快就会被吸收。声波不仅可以在水里传得很远，而且当声波遇到海洋中的物体时，会被反射回来，不同频率的声波，在水中被吸收和反射的程度也不相同。人们根据声

波的这一特性发明了声呐，用来进行水中探测、定位和通信。 但近年来随着武器装备的迅速发展和消噪技术的不断进步，各类静音效果良好的核动力潜艇以及aip潜艇先后列装各国海军，利用传统声呐装置进行侦听的难度大大增加。反潜作战成为当今世界各国海军公认的最大难题之一。 光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的探测，是现代海军反潜作战、水下兵器试验、海洋石油勘探和海洋地质调查的先进探测手段。2009年2月初，英国“前卫”号弹道导弹核潜艇与法国“凯旋”号核潜艇在大西洋深海上演了“深情一吻”。当时两艘潜艇均在水下航行，而且艇上带着核导弹，碰撞发生时，潜艇上共有约250名乘员，可竟然无人利用声呐装置发现对方。 其实，自冷战时代起，美国和西方国家就经常派潜艇近距离监视苏联的大型海上军事演习，双方潜艇发生相撞事件时有发生。据不完全统计，在北方舰队和太平洋舰队过去30年来进行军事演习的海域，就曾发生过11起俄罗斯（前苏联）潜艇与外国潜艇相撞事故。俄核潜艇“库尔斯克”号的沉没引发了世人的种种猜测，其中有一种猜测就是认为发生了潜艇相撞事件。 二、光纤水听器技术发展 光纤水听器是一种建立在光纤传感和光电子技术基础