低噪声矢量水听器设计及其校准方法研究

摘要

近十年来，矢量水听器凭借其具有的低频高灵敏度和良好的余弦指向特性，在水声工程各领域得到广泛应用，特别是随着潜艇隐身技术的不断发展，矢量水听器（阵）已成为水下目标低频、乃至甚低频探测技术中的主要接收器。针对低频弱信号获取问题，接收器的高灵敏度指标固然重要，但更为关键的是接收器的等效自噪声参数要足够低。为此，论文围绕矢量水听器等效自噪声降低问题开展了一系列研究工作，提出了完整的低噪声矢量水听器理论设计方法和等效自噪声测量方法，为低噪声矢量水听器的设计和验证提供了理论依据；建立了低噪声矢量水听器等效自噪声测量系统，为准确评价低噪声矢量水听器的自噪声水平提供了有效手段；提出了实验水池低频有限空间内校准低噪声矢量水听器灵敏度的方法，为低噪声矢量水听器（阵）的声学特性研究提供了参考。
　　首先，论文针对矢量水听器的压电加速度敏感器件、悬挂结构和前置放大电路的自噪声设计方法进行了研究，并针对不同前置放大电路输入形式给出了电缆等效模型，以及将敏感器件、悬挂结构、电缆和前置放大电路作为整体考虑，给出了低噪声矢量水听器的设计原理；根据设计原理，针对目前常用的两种不同压电加速度敏感器件，分别分析了其与两种前置放大电路组合而产生的自噪声水平，从而为低噪声矢量水听器的设计提供了压电加速度敏感器件与前置放大电路的选择依据。研究结果表明，由IEPE加速度敏感器件与低噪声的运算放大器结合可以使矢量水听器获得更低的自噪声；利用优选的加速度敏感器件和前置放大器设计并制作了两只低噪声矢量水听器样机。
　　其次，为了提高低噪声矢量水听器等效自噪声的测量精度，论文从测量方法和测量系统两方面入手进行了研究：一是提出了基于双水听器互谱法（DHCM）的矢量水听器等效自噪声测量方法，并仿真分析了环境背景噪声不相同时，或两只被测矢量水听器灵敏度不相同时，或采样数据长度不相同时该方法测量精度的变化规律，从而给出了该方法的最佳测量条件；二是研制了真空环境下和水介质环境下两套矢量水听器等效自噪声测量系统，并利用DHCM等效自噪声测量方法在水介质环境测量系统中对低噪声矢量水听器的等效自噪声进行了测量，测量结果表明：论文设计的低噪声矢量水听器的等效自噪声声压谱级在100-1000Hz频率范围内低于零级海况下的海洋环境噪声，其中在参考频率200Hz处达到55.5dB/√Hz，在100-1000Hz频段已接近并部分频点已超过目前国际上等效自噪声水平最低的基于隧道式加速度计设计的矢量水听器的等效自噪声水平。
　　最后，论文针对带有前置放大电路的大尺寸低噪声矢量水听器提出了实验水池低频有限空间内校准其灵敏度的瞬态校准方法。从水池有限空间内低频声场分布特性入手，研究了低频有限空间瞬态校准技术原理；提出了基于瞬态校准技术的瞬态校准灵敏度修正方法。校准结果表明：水池有限空间内采用瞬态灵敏度校准方法可以准确的对低噪声矢量水听器样机的自由场灵敏度进行校准；该方法有效地扩展了有限空间内矢量水听器灵敏度校准的下限频率，并对低频矢量水听器（阵）在水池内的相位校准提供了新方法。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 矢量水听器研究新进展

1.3 低噪声矢量水听器及自噪声测量技术研究概况

1.4 低频水池有限空间校准技术研究进展

1.5 本文研究内容

第2章 低噪声矢量水听器设计方法研究

2.1 低噪声矢量水听器设计原理

2.2 低噪声矢量水听器样机设计与制作

2.3 本章小结

第3章 矢量水听器自噪声测量方法及测量系统研究

3.1 矢量水听器等效自噪声测量方法研究

3.2 矢量水听器等效自噪声测量系统研究

3.3 矢量水听器等效自噪声测量结果及分析

3.4 本章小结

第4章 低频有限空间内矢量水听器灵敏度校准方法研究

4.1 低频有限空间瞬态校准技术原理

4.2 基于瞬态校准技术的自由场灵敏度校准方法研究

4.3 低噪声矢量水听器电声参数水池瞬态校准结果

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢