水聽器

將聲信號轉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。水聽器廣泛用於水中通信、探洲、目標定位、跟蹤等，是聲納的重要部件，水下的探測、識別、通信，以及海洋環境監側和海洋資源的開發，都離不開水聲換能器。

基本介紹

• 中文名：水聽器
• 外文名：hydrophone
• 別名：水下傳聲器
• 所屬類別：海洋科學 測繪科學
• 分類：標量、矢量
• 主要類別：光纖水聽器

基本概念

水聲換能器是將電信號轉換為水聲信號或將水聲信號轉換為電信號的器件，其在聲納中的地位類似於無線電設備中的天線，是在水下發射和接收聲波的聲學器件。將電信號轉換成水聲信號的換能器，用來向水中輻射聲波，稱為發射換能器。將聲信號轉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

根據作用原理、換能原理、特性及構造等的不同，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，但由於傳聲媒質的區別，水聽器必須有堅固的水密結構，且須採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並產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備，是被動聲吶系統中的核心部分。根據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、壓電複合材料聲壓水聽器和光纖聲壓水聽器。

在水聲領域，通常，將感測器稱為換能器，接收換能器主要包括標量感測器和矢量感測器，也叫標量水聽器和矢量水聽器。在聲場測量中，傳統的方法是採用標量水聽器（聲壓水聽器），只能測量聲場中的標量參數，典型的標量水聽器如B&K公司的810X系列，常作為水聽器標準使用。矢量水聽器可測量聲場中的矢量參數，它的套用有助於獲得聲場的矢量信息，對聲納設備的功能擴展具有極為關鍵的意義。

矢量水聽器

在連續介質中，任意一點附近的運動狀態可用壓強，密度及介質運動速度表述。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，描述聲場的聲學量聲壓、質點振速和壓縮量都是時間和空間的函式。在理想流體中，沒有切應力，所以，聲壓為標量，質點振速為矢量。聲場所含豐富信息既包含在標量參數中也包含在矢量參數中，在聲場測量過程中，僅測量聲壓參數是不夠的。同時測量標量信息和矢量信息即聲壓和質點振速才能獲得完整的聲場信息，這樣，才能有助於信號處理系統獲得更有價值的信息，並作出正確的判斷。例如:採用新型組合感測器（聲壓和振速聯合）的聯合信息處理系統較傳統的單純聲壓信息處理系統具有良好的抗相干干擾能力和線譜檢測能力；採用單個小尺度的組合感測器通過聯合信號處理，就可以進行目標方位的聲壓、振速聯合估計。此外，從能量檢測的角度講，矢量水聽器的採用使系統的抗各向同性噪聲的能力獲得提高，並可實現遠場多目標的識別等。矢量水聽器的研究工作受到極大重視。因此，包括矢量信息在內的多信息檢測是聲納系統的一個發展趨勢，正越來越被各個海軍大國所重視。

隨著技術地不斷發展，技術需求越來越多，為滿足岸站建設的需要，服務海岸預警聲納系統，實現遠程檢測、識別，低頻檢測能力日益顯得重要。另外，由於核動力潛艇的出現，潛艇隱身等新技術的普遍採用，反潛問題受到各國空前的重視。一種有效的方法是轉向測試螺旋槳低頻噪聲，安靜型潛艇和艦船的本徵噪聲都在低頻段，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需求。這種低頻矢量水聽器的研製成功可以預期解決遠程傳播低頻信號的檢測問題。同時，隨著目標信號的減弱，高靈敏度檢測問題也變得迫切。

光纖水聽器

光纖水聽器是利用光纖技術探測水下聲波的器件，它與傳統的壓電水聽器相比，具有極高的靈敏度、足夠大的動態範圍、本質的抗電磁干擾能力、無阻抗匹配要求、系統“濕端”質量輕和結構的任意性等優勢，因此，足以應付來自潛艇靜噪技術不斷提高的挑戰，適應了各已開發國家反潛戰略的要求，被視為國防技術重點開發項目之一。

原理

光纖水聽器按原理可分為干涉型、強度型、光柵型等。干涉型光纖水聽器關鍵技術己經逐步發展成熟，在部分領域己經形成產品，而光纖光柵水聽器則是當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於光纖布拉格（Bragg）光柵構造，如圖1所示。

圖1

光纖水聽器

當寬頻光源（BBS）的輸出光波經過一個光纖布拉格光柵（CFBG）時，根據模式耦合理論可知，波長滿足布拉格條件：

的光波將被反射回來，其餘波長的光波則透射。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。當感測光柵周圍的應力隨水中聲壓變化時，將導致 或n的變化，從而產生感測光柵相應的中心反射波長偏移，偏移量由

確定，這樣就實現了水聲聲壓對反射信號光的波長調製。所以，通過實時檢測中心反射波長偏移情況，再根據各參數與聲壓之間的線性關係，即可獲得聲壓變化的信息。

特點

（1）低噪聲特性。光纖水聽器採用光學原理構成，靈敏度高，由於其自噪聲低的特性決定了其可檢測的最小信號比傳統壓電水聽器要高2-3個數量級，這使弱信號探測成為可能.

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

（3）抗電磁干擾與信號串擾能力強。全光光纖水聽器信號感測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，各通道信號串擾也十分小。

（4）適於遠距離傳輸與組陣。光纖傳輸損耗小，適於遠距離傳輸.光纖水聽器採用頻分、波分及時分等技術進行多路復用，適於水下陣列的大規模組陣。

（5）信號感測與傳輸一體化，提高系統可靠性。雷射由光源發出，經光纖傳輸至光纖水聽器，並在拾取聲信號後再經光纖傳回到岸上或船上的信號處理設備，水下無電子設備。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的可靠性.

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

套用

光纖水聽器的主要軍事套用包括：全光纖水聽器拖曳陣列、全光纖海底聲監視系統、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，布陣後適合作海岸警戒聲納，探測安靜型潛艇、海嘯預警。具有易於多單元復用、能夠電無源工作、長距離信號傳輸能力強等技術優勢。微光學結構光纖水聽器技術是直接將感測器刻在光纖上，具有體積小、易於波分復用、製作工藝相對簡單、性能可靠等優點，適用於大型岸基海域防衛警戒系統、艦載聲納陣、海洋噪聲監測陣等套用場合，尤其是水聽器拖曳陣套用場合。