發(fā)布時間：2018-08-12 11:37

【摘要】：水下中小型測量平臺是對水面和水下目標(biāo)進(jìn)行探測和定位的常用裝備,這類平臺的布陣空間狹小,不適合安裝大孔徑的水聲傳感器陣列,單矢量水聽器在平臺中的應(yīng)用對提高平臺的性能起到了良好的作用,但它的波束角較大,這種鈍指向性在對目標(biāo)定位的過程中難以獲得較高的方位分辨率,對于多個距離較近的目標(biāo)則更加難以區(qū)分,因此在中小型測量平臺上仍然需要繼續(xù)研發(fā)指向性更為銳化的高指向性水聽器提升平臺性能。高指向性二階水聽器是繼矢量水聽器之后一種新型水聲傳感器,相對于矢量水聽器而言,二階水聽器具有更為銳化的四極子指向性,它的突出特點是具備測量聲場中二階張量的能力,因此開展針對高指向性二階水聽器的物理基礎(chǔ)性研究和工程研究都是十分必要的。本文首先對高指向性二階水聽器的基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究。利用張量的概念討論水聲物理問題,從聲壓分解理論入手研究二階水聽器測量的各階張量,探討流體聲場中質(zhì)點振速和振速梯度的物理意義,說明振速梯度張量與目前聲學(xué)常用物理量的聯(lián)系。理論分析證明了聲場中流體微團(tuán)內(nèi)各點的聲壓不均勻性是導(dǎo)致流體微團(tuán)發(fā)生運動的根本原因,質(zhì)點振速可以描述流體微團(tuán)的平移運動,振速梯度描述流體微團(tuán)的變形和轉(zhuǎn)動。從單通道指向性和多通道組合指向性兩個方面分析了二階水聽器的指向性性能,并與矢量水聽器的同類性能作比較,理論分析表明二階水聽器四極子指向性的波束寬度小于矢量水聽器的偶極子指向性波束寬度,將兩類水聽器的同類組合指向性的波束寬度比較,證明二階水聽器的指向性性能優(yōu)于矢量水聽器。本文針對高指向性二階水聽器的設(shè)計理論進(jìn)行研究。討論二階水聽器的測量原理,給出二階水聽器的空間結(jié)構(gòu),設(shè)計了一種基于矢量水聽器的高指向性二階水聽器,由六只三維矢量水聽器和一只聲壓水聽器組成,在平面波長中使用時六只三維矢量水聽器可以簡化至二維。利用等效電路法分析高指向性二階水聽器,推導(dǎo)了二階水聽器各通道的聲壓靈敏度表達(dá)式,并驗證了公式的正確性。分析了二階水聽器測量原理與水聽器工作頻帶的內(nèi)在聯(lián)系,并研究了矢量水聽器失配對二階水聽器上、下限工作頻率的影響,仿真分析了二階水聽器運用的近似測量原理和矢量水聽器失配對二階水聽器指向性的影響。本文選用不同的敏感元件設(shè)計制作了三種矢量水聽器,再由矢量水聽器組合成三種二階水聽器,小型單軸向二階水聽器上限工作頻率2kHz,中型單軸向二階水聽器上限工作頻率2.5kHz,復(fù)雜結(jié)構(gòu)三軸向二階水聽器上限工作頻率1.6kHz。根據(jù)基礎(chǔ)理論推導(dǎo)得到的聲壓靈敏度公式計算了二階水聽器各通道的理論聲壓靈敏度級,并給出了聲壓靈敏度級隨頻率的變化曲線。分別對設(shè)計的三種二階水聽器建模,利用有限元分析軟件仿真分析二階水聽器在聲場中的聲散射,討論了散射作用對二階水聽器附近聲場聲壓和相位的影響,同時仿真分析了二階水聽器各通道的指向性和由聲散射引起的矢量水聽器的幅度和相位失配。本文對設(shè)計制作的三種矢量水聽器樣器的性能進(jìn)行了測試,給出了指向性、靈敏度等測量結(jié)果,對組合而成的高指向性二階水聽器樣器進(jìn)行了測試,給出二階水聽器各通道的實測指向性圖、靈敏度曲線等,測試結(jié)果與理論值能夠較好的吻合,討論了二階水聽器實測指向性與理論指向性差異的成因,驗證了對二階水聽器指向性仿真分析的部分結(jié)論,并利用試驗數(shù)據(jù)分析了矢量水聽器幅度和相位失配,得到了與有限元仿真分析一致的現(xiàn)象,估計了二階水聽器的實際測量誤差,證明了二階水聽器樣器符合設(shè)計要求。
[Abstract]:Small and medium-sized underwater measuring platform is a common equipment for detecting and locating underwater targets. The array space of this kind of platform is small, and it is not suitable for installing large aperture array of underwater acoustic sensors. The application of single vector hydrophone in the platform has played a good role in improving the performance of the platform, but its beam angle is large, and this kind of blunt finger. It is difficult to obtain high azimuth resolution in the process of target localization, and it is more difficult to distinguish multiple targets which are close to each other. Therefore, it is still necessary to develop high directivity hydrophones with sharper directivity to improve the performance of the platform on small and medium-sized measuring platforms. High directivity second-order hydrophones are relay vector hydrophones. Then a new type of underwater acoustic sensor, compared with the vector hydrophone, the second-order hydrophone has a sharper quadrupole directivity. Its outstanding feature is that it has the ability to measure the second-order tensor in the acoustic field. Therefore, it is necessary to carry out the physical basic research and Engineering Research on the high-directivity second-order hydrophone. The basic theory of high directivity second-order hydrophone is studied firstly. The physical problems of underwater acoustic are discussed by using the concept of tensor, and the tensors measured by second-order hydrophone are studied by using the theory of pressure decomposition. The physical meaning of particle velocity and velocity gradient in fluid acoustic field is discussed. The velocity gradient tensor and the commonly used acoustic physical quantities are explained. Theoretical analysis proves that the non-uniformity of sound pressure at each point in the fluid microcluster in the sound field is the fundamental reason for the movement of the fluid microcluster. The particle velocity can describe the translation motion of the fluid microcluster, and the velocity gradient can describe the deformation and rotation of the fluid microcluster. The directivity performance of the second-order hydrophone is compared with that of the vector hydrophone. Theoretical analysis shows that the beam width of the quadrupole directivity of the second-order hydrophone is less than that of the dipole directivity of the vector hydrophone. The directivity of the second-order hydrophone is proved by comparing the beam width of the same combination of the two hydrophones. In this paper, the design theory of high directivity second-order hydrophone is studied. The measuring principle of second-order hydrophone is discussed. The spatial structure of second-order hydrophone is given. A high directivity second-order hydrophone based on vector hydrophone is designed. It consists of six three-dimensional vector hydrophones and one pressure hydrophone. Six three-dimensional vector hydrophones can be simplified to two-dimensional when used in planar wavelengths. The high directivity second-order hydrophones are analyzed by the equivalent circuit method. The pressure sensitivity expressions of each channel of the second-order hydrophones are derived and the correctness of the formulas is verified. The influence of vector hydrophone mismatch on the upper and lower limit operating frequency of the second-order hydrophone is studied. The approximate measuring principle of the second-order hydrophone and the influence of vector hydrophone mismatch on the directivity of the second-order hydrophone are simulated and analyzed. There are three kinds of second-order hydrophones: small uniaxial second-order hydrophone with upper limit operating frequency of 2 kHz, medium uniaxial second-order hydrophone with upper limit operating frequency of 2.5 kHz and complex structure third-axial second-order hydrophone with upper limit operating frequency of 1.6 kHz. Sensitivity level and the variation curve of pressure sensitivity level with frequency are given. Three kinds of second-order hydrophones are modeled. The acoustic scattering of the second-order hydrophone in the sound field is simulated and analyzed by finite element analysis software. The influence of scattering on the sound pressure and phase near the second-order hydrophone is discussed. At the same time, the second-order hydrophone is simulated and analyzed. The directivity of each channel and the amplitude and phase mismatch of the vector hydrophone caused by acoustic scattering are tested. The performance of three kinds of vector hydrophone prototypes designed and manufactured are tested. The directivity and sensitivity are given. The combined high directivity second-order hydrophone prototypes are tested and the second-order hydrophones are given. The measured directivity diagram and sensitivity curve of the channel are in good agreement with the theoretical values. The causes of the difference between the measured directivity and the theoretical directivity of the second-order hydrophone are discussed. Some conclusions of the simulation analysis of the directivity of the second-order hydrophone are verified. The amplitude and phase mismatch of the vector hydrophone are analyzed by the experimental data. The phenomena consistent with the finite element simulation analysis are obtained, and the actual measurement error of the second-order hydrophone is estimated. It is proved that the second-order hydrophone prototype meets the design requirements.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TB565.1

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳洪娟;楊士莪;王智元;洪連進(jìn);;中頻小型矢量水聽器設(shè)計研究[J];應(yīng)用聲學(xué);2006年06期

2 陳麗潔;楊士莪;;矢量水聽器測試模型及拾振條件探討[J];應(yīng)用聲學(xué);2006年06期

3 喬慧;劉俊;張斌珍;張文棟;熊繼軍;薛晨陽;;一種新型壓阻式硅微仿生矢量水聽器的設(shè)計[J];傳感技術(shù)學(xué)報;2008年02期

4 彭漢書;李風(fēng)華;;由矢量水聽器陣列反演淺海地聲參數(shù)[J];聲學(xué)技術(shù);2008年02期

5 賈志富;;全面感知水聲信息的新傳感器技術(shù)——矢量水聽器及其應(yīng)用[J];物理;2009年03期

6 關(guān)凌綱;張國軍;薛晨陽;藍(lán)偉軍;;三維同振柱型矢量水聽器的制作[J];艦船科學(xué)技術(shù);2009年09期

7 徐余;孫好廣;;矢量水聽器振子實現(xiàn)研究[J];聲學(xué)與電子工程;2010年02期

8 王立;劉文怡;張國軍;;仿生矢量水聽器水下監(jiān)測記錄裝置[J];計算機(jī)測量與控制;2011年01期

9 洪連進(jìn);楊德森;時勝國;邢世文;;中頻三軸向矢量水聽器的研究[J];振動與沖擊;2011年03期

10 牛嗣亮;張振宇;胡永明;倪明;;單矢量水聽器的姿態(tài)修正測向問題探討[J];國防科技大學(xué)學(xué)報;2011年06期

相關(guān)會議論文 前10條

1 陳洪娟;張虎;趙勰;;三維同振球形矢量水聽器的小型化研究[A];2009年全國水聲學(xué)學(xué)術(shù)交流暨水聲學(xué)分會換屆改選會議論文集[C];2009年

2 孫梅;李風(fēng)華;;一種矢量水聽器俯仰姿態(tài)校正方法研究[A];中國聲學(xué)學(xué)會2009年青年學(xué)術(shù)會議[CYCA’09]論文集[C];2009年

3 許欣然;葛輝良;孟洪;白琳瑯;鄭震宇;;矢量水聽器聲性能的理論建模分析[A];2009年中國東西部聲學(xué)學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2009年

4 高源;杜選民;;單個矢量水聽器空間處理增益分析[A];2004年全國水聲學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2004年

5 熊水東;羅洪;胡永明;倪明;孟洲;;三維光纖矢量水聽器實驗研究[A];中國聲學(xué)學(xué)會2005年青年學(xué)術(shù)會議[CYCA'05]論文集[C];2005年

6 胡永明;倪明;孟洲;熊水東;;光纖矢量水聽器研究進(jìn)展[A];中國聲學(xué)學(xué)會2006年全國聲學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2006年

7 馬莉;;基于矢量水聽器的目標(biāo)定向技術(shù)研究[A];湖北省聲學(xué)學(xué)會成立二十周年紀(jì)念文集[C];2006年

8 李風(fēng)華;彭漢書;;矢量水聽器陣列反演淺海地聲參數(shù)[A];2007年全國水聲學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2007年

9 費騰;;矢量水聽器校準(zhǔn)裝置[A];2005年全國水聲學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2005年

10 陳洪娟;趙鵬濤;;10～100Hz矢量水聽器校準(zhǔn)系統(tǒng)研究[A];2008年全國聲學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2008年

相關(guān)重要報紙文章 前1條

1 唐曉偉 記者 姜雪松;冰城聲吶技術(shù)裝備造就“水下千里眼”[N];哈爾濱日報;2013年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 孫心毅;基于矢量水聽器的高指向性二階水聽器的研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2014年

2 陳麗潔;微型矢量水聽器研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2006年

3 莫世奇;矢量水聽器的數(shù)據(jù)融合研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2007年

4 張國軍;纖毛式MEMS矢量水聽器研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2015年

5 劉爽;新型矢量水聽器研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2016年

6 李思純;基于矢量水聽器的目標(biāo)特征提取與識別技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2008年

7 呂文磊;壓差式光纖矢量水聽器基元與測試技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

8 呂云飛;甚低頻矢量水聽器潛標(biāo)探測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

9 時勝國;矢量水聽器及其在平臺上的應(yīng)用研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2007年

10 吳艷群;拖線陣用光纖矢量水聽器關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 武甜甜;三維壓電矢量水聽器小型化的研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

2 邢世文;三維矢量水聽器及其成陣研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

3 李金亮;三軸向電容式矢量水聽器的研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

4 袁林;矢量水聽器智能化技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2008年

5 趙鵬濤;10-100Hz矢量水聽器研制及其測試方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2008年

6 趙勰;三維矢量水聽器及其低頻校準(zhǔn)方法的研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

7 楊松濤;深水矢量水聽器的研制[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

8 邢建軍;矢量水聽器測向技術(shù)的研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2005年

9 周益明;二維同振柱形矢量水聽器的研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2006年

10 吳祥興;超低頻矢量水聽器技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2005年

，

本文編號：2178935