矢量水聽器

矢量水聽器是接收換能器的一種。在國外，矢量水聽器是繼標量水聽器後的熱門研究課題。矢量水聽器的研製工作最早始於20世紀40年代的美國，以美國學者50年代發表的有關使用慣性感測器直接測量水中質點振速的經典論文為標誌，後來，相繼在蘇聯、英國、日本、法國逐步開展這方面的研究工作。

基本介紹

• 中文名：矢量水聽器
• 外文名：vector hydrophone
• 主要研究：聲波在水下的產生、輻射
• 始於：20世紀40年代

簡介

水聲學作為聲學的一個分支，主要研究聲波在水下的產生、輻射、傳播和接收的理論，用以解決與水下目標探測、識別以及信息傳輸過程有關的聲學問題。在海戰中，聲納是海上作戰個體（各種艦、艇）的五官，所有的水下戰場偵察都要以聲納為媒體，缺之不可。水聲換能器作為聲納系統的重要部件之一，是水聲學的一個重要研究方向，新型水聲換能器的研究是海軍聲納技術發展的一個關鍵內容。水聲換能器是水下各種發射、接收測量用感測器的總稱， 它將水下的聲信號轉換成電信號（接收換能器），或將電信號轉換成水下的聲信號 （發射換能器），是聲納的重要組成部分。一部聲納性能的優劣與水聲換能器性能的優劣直接相關。在水聲工程中，換能器技術處於一個基礎性的地位。換能器技術的進步可帶動聲納系統技術水平的提高，因此，新型水聲換能器的研究工作具有重要意義。

矢量水聽器是接收換能器的一種。在國外，矢量水聽器是繼標量水聽器後的熱門研究課題。矢量水聽器的研製工作最早始於20世紀40年代的美國，以美國學者50年代發表的有關使用慣性感測器直接測量水中質點振速的經典論文為標誌，後來，相繼在蘇聯、英國、日本、法國逐步開展這方面的研究工作。1991年， 美國聲學雜誌連續刊出美俄兩國學者9 篇有關聲矢量感測器研究方面的論文，這種情況是罕見的。1995 年，美國海軍研究局資助美國聲學學會舉行聲矢量感測器專題研討會，並出版了《聲質點振速感測器設計、性能和套用》 論文集，反映了當時美國聲矢量感測器的研究動態。2002年，IEEE的OCEANS設立了“聲質點振速感測器”專題，所涉及的設計內容廣泛，反映了一些最新研究情況。足見矢量測量所受到的重視，俄國聲矢量感測器技術的基礎和套用研究相對於美國講要走得更遠些。

水聲測量用感測器的分類和作用

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。

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。

發展趨勢展望

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已成為新的技術需求。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。

將壓阻原理、MEMS 技術套用於矢量水聽器是一種新原理、新方法的嘗試。採用壓阻原理的微結構矢量水聽器可以使矢量型水聽器尺寸微型化，探測靈敏度優於壓電陶瓷式水聽器，並且，壓阻效應的優勢是可以測量直到零頻的低頻範圍，適用於低頻測量，可用於安靜型潛艇的探測。

通過MEMS技術，可以實現敏感檢測部分與信號處理電路的集成設計，所有這些都可以在晶片上規模完成。在一個襯底上將感測器，信號處理電路，執行器集成起來，構成微電子機械系統是人們很早以來的一個願望，這一願望的實現是以 JKJA 技術為支撐的。JKJA 技術由於具有 3M特點即：微型化，多樣化，微電子化，使 JKJA 技術的發展顯示出巨大的生命力。它把信息系統的微型化，多功能化， 智慧型化和可靠性水平提高到新的高度。聲納用感測器的研究工作有了突飛猛進的發展，採用新技術的水聲感測器的研究工作不斷深入，從大的階段看，水聲感測器的套用分為標量水聽器的套用、矢量水聽器的套用、光纖水聽器的套用、MEMS水聽器的套用幾個技術階段。目前，國外正處於從標量水聽器的套用向矢量水聽器的套用、 光纖水聽器的套用轉變的階段，MEMS水聽器的套用還處於實驗室研究階段。