聲光技術(shù) 09講 空氣中使用的聲傳感器

空氣中使用的聲傳感器第09講（2學(xué)時(shí)）概述激光聲遙感技術(shù)是在空氣中探測(cè)水下目標(biāo)的聲信號(hào)，用大能量脈沖TEACO2激光打在水面上，解決了從空中激發(fā)水下聲源的關(guān)鍵技術(shù)。下一個(gè)問(wèn)題就是如何在空氣中遙感接收水下目標(biāo)的聲信號(hào)?！械碾p程傳輸損失、水-空氣界面損失、空氣傳輸損失——到達(dá)空中的傳聲器時(shí)，已經(jīng)非常微弱了——同時(shí)在海洋的環(huán)境噪聲、載體平臺(tái)的噪聲和氣流噪聲的強(qiáng)大干擾背景下——信號(hào)的信噪比非常差——要求傳聲器采用靈敏度非常高、抗噪聲干擾能力強(qiáng)又能對(duì)水下目標(biāo)有足夠方位分辨率的空氣傳聲器。水下聲信號(hào)經(jīng)歷通常使用微音器，它是使用廣泛技術(shù)成熟的傳感器，在激光聲遙感技術(shù)中，把它加上聲反射罩后，便成了單波束聲傳感器。單波束傳聲器不能同時(shí)覆蓋水下目標(biāo)的多個(gè)方位，因此后來(lái)又研制開發(fā)了由壓電陶瓷彎曲振動(dòng)聲傳感器基元組成的八元線陣列聲陣，它具有：（1）很高的陣元靈敏度；（2）較高的抗干擾能力；（3）形成多波束；（4）對(duì)水下目標(biāo)實(shí)施定位。八元線陣列聲陣5.1單波束聲傳感器單波束聲傳感器由1微音器、2聲反射罩、3轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)及4云臺(tái)控制器組成?；緟?shù)：微音器MK224，靈敏度為-147dB，參考1V/uPa，聲反射罩直徑48cm，空間增益20dB，轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)控制器控制下，在垂直面內(nèi)可旋轉(zhuǎn)±450。把微音器放置在聲反射罩的焦點(diǎn)位置，同時(shí)調(diào)整微音器的方向性，使二者匹配，可有效提高聲反射罩。聲反射罩的軸線方向是波束的最大方向，如果水下目標(biāo)不在次方向，就必須轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)，使反射罩指向目標(biāo)——但是機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)搜索目標(biāo)很慢，且容易漏掉目標(biāo)，——采用聲接收陣列，形成多波束。指向性指數(shù)：孔徑效率：5.2八元線列多波束聲接收陣多波束接收陣聲束圖的角寬度和接收陣在水面上空的高度，決定了激光聲遙感探測(cè)設(shè)備的搜索覆蓋范圍。對(duì)傳感器要求激光聲脈沖經(jīng)水下目標(biāo)反射或折射后折向水面并穿過(guò)水面到達(dá)接收陣，根據(jù)折射定律：水下目標(biāo)無(wú)論在什么方向，目標(biāo)回波穿過(guò)水-空氣界面后，都包含在26.40出射圓錐角內(nèi)——因此，接收陣只要能覆蓋26.40，便能搜索到水下各個(gè)方向的目標(biāo)。對(duì)傳感器要求（1）在飛行方向上，接收陣要有較大開角，以保證在激光兩次發(fā)射之間不漏掉目標(biāo)；（2）在飛機(jī)的左右弦方向，每側(cè)應(yīng)有13.20搜索扇面，并且根據(jù)方位分辨率要求，在每側(cè)13.20的扇面內(nèi)形成多個(gè)波束，這樣就可以確定水下目標(biāo)的方位了。卡28反潛機(jī)直8反潛機(jī)直8反潛機(jī)反潛作業(yè)八元線陣5.2.1八元線列多波束垂直寬度激光聲遙感探測(cè)系統(tǒng)工作頻段的選擇，主要考慮聲波在海水中的傳播衰減和抗載體噪聲的干擾，同時(shí)也必須兼顧接收陣的物理尺度——中心頻率40kHz，工作帶寬10kHz。垂直寬度是指垂直于線列陣長(zhǎng)度方向——主要由圓形輻射面的基元換能器的半徑?jīng)Q定！圓錐號(hào)筒的出口半徑為2.54cm就能滿足要求最大旁瓣在150方向，為主瓣值的12%圓錐號(hào)筒的出口半徑為2.54cm就能滿足要求最大旁瓣在150方向，為主瓣值的12%5.2.2八元線列多波束水平寬度水平寬度——沿著線列陣軸線方向上的波束寬度，由均勻直線陣的方向性函數(shù)D2與圓形活塞方向性函數(shù)D1的乘積決定。D2(1主瓣，6柵瓣)D=D1*D2(6個(gè)柵瓣被基元換能器的方向性給抑制了)D2(1主瓣，6柵瓣)D=D1*D2(6個(gè)柵瓣被基元換能器的方向性給抑制了)D2(1主瓣，6柵瓣)D=D1*D2(6個(gè)柵瓣被基元換能器的方向性給抑制了)5.2.3八元線列陣方向性隨方位角的變化聲波入射方向不在定向平面內(nèi)隨著方位角α向±900方向的增大，波束寬度被拉大，波束幅值下降變平緩，當(dāng)α=±900時(shí)，只剩下代表圓形活塞方向性的第二項(xiàng)，因此線列陣的三維方向性圖是關(guān)于陣軸線對(duì)稱的。5.2.4八元線列陣的空間增益在接收陣對(duì)準(zhǔn)的方向上，對(duì)其它方向來(lái)的噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。實(shí)際的接收中，陣列應(yīng)處在目標(biāo)的遠(yuǎn)場(chǎng)（>1m）————因此可以假定目標(biāo)信號(hào)是單向傳播的平面波，它是完全相干的；————同時(shí)，假定噪聲是各向同性的，陣增益可以用指向性指數(shù)來(lái)表示：5.2.5基元換能器的設(shè)計(jì)基元換能器總體結(jié)構(gòu)：1、號(hào)筒；2、多孔板；3、墊圈；4、壓電彎曲圓板換能器壓電彎曲振動(dòng)圓板雙疊片結(jié)構(gòu)：1、鋁板；2、PZT圓片；3、外殼；4、電