矢量水听器

接收换能器

矢量水听器是接收换能器的一种。在国外，矢量水听器是继标量水听器后的热门研究课题。矢量水听器的研制工作最早始于20世纪40年代的美国，以美国学者50年代发表的有关使用惯性传感器直接测量水中质点振速的经典论文为标志，后来，相继在苏联、英国、日本、法国逐步开展这方面的研究工作。

简介

水声学作为声学的一个分支，主要研究声波在水下的产生、辐射、传播和接收的理论，用以解决与水下目标探测、识别以及信息传输过程有关的声学问题。在海战中，声纳是海上作战个体（各种舰、艇）的五官，所有的水下战场侦察都要以声纳为媒体，缺之不可。水声换能器作为声纳系统的重要部件之一，是水声学的一个重要研究方向，新型水声换能器的研究是海军声纳技术发展的一个关键内容。水声换能器是水下各种发射、接收测量用传感器的总称，它将水下的声信号转换成电信号（接收换能器），或将电信号转换成水下的声信号（发射换能器），是声纳的重要组成部分。一部声纳性能的优劣与水声换能器性能的优劣直接相关。在水声工程中，换能器技术处于一个基础性的地位。换能器技术的进步可带动声纳系统技术水平的提高，因此，新型水声换能器的研究工作具有重要意义。

矢量水听器是接收换能器的一种。在国外，矢量水听器是继标量水听器后的热门研究课题。矢量水听器的研制工作最早始于20世纪40年代的美国，以美国学者50年代发表的有关使用惯性传感器直接测量水中质点振速的经典论文为标志，后来，相继在苏联、英国、日本、法国逐步开展这方面的研究工作。1991年，美国声学杂志连续刊出美俄两国学者9 篇有关声矢量传感器研究方面的论文，这种情况是罕见的。1995 年，美国海军研究局资助美国声学学会举行声矢量传感器专题研讨会，并出版了《声质点振速传感器设计、性能和应用》论文集，反映了当时美国声矢量传感器的研究动态。2002年，IEEE的OCEANS设立了“声质点振速传感器”专题，所涉及的设计内容广泛，反映了一些最新研究情况。足见矢量测量所受到的重视，俄国声矢量传感器技术的基础和应用研究相对于美国讲要走得更远些。

水声测量用传感器的分类和作用

在水声领域，通常，将传感器称为换能器，接收换能器主要包括标量传感器和矢量传感器，也叫标量水听器和矢量水听器。在声场测量中，传统的方法是采用标量水听器（声压水听器），只能测量声场中的标量参数，典型的标量水听器如B&K公司的810X 系列，常作为水听器标准使用。矢量水听器可测量声场中的矢量参数，它的应用有助于获得声场的矢量信息，对声纳设备的功能扩展具有极为关键的意义。

在连续介质中，任意一点附近的运动状态可用压强，密度及介质运动速度表述。声场中不同地点，这些物理量有不同的值，具有空变性，而且，对同一空间坐标点这些量又是随时间改变的，又具有时变性。因此，描述声场的声学量声压、质点振速和压缩量都是时间和空间的函数。在理想流体中，没有切应力，所以，声压为标量，质点振速为矢量。声场所含丰富信息既包含在标量参数中也包含在矢量参数中，在声场测量过程中，仅测量声压参数是不够的。同时测量标量信息和矢量信息即声压和质点振速才能获得完整的声场信息，这样，才能有助于信号处理系统获得更有价值的信息，并作出正确的判断。例如：采用新型组合传感器（声压和振速联合）的联合信息处理系统较传统的单纯声压信息处理系统具有良好的抗相干干扰能力和线谱检测能力；采用单个小尺度的组合传感器通过联合信号处理，就可以进行目标方位的声压、振速联合估计，此外，从能量检测的角度讲，矢量水听器的采用使系统的抗各向同性噪声的能力获得提高，并可实现远场多目标的识别等。矢量水听器的研究工作受到极大重视。因此，包括矢量信息在内的多信息检测是声纳系统的一个发展趋势，正越来越被各个海军大国所重视。

发展趋势展望

随着技术地不断发展，技术需求越来越多，为满足岸站建设的需要，服务海岸预警声纳系统，实现远程检测、识别，低频检测能力日益显得重要。另外，由于核动力潜艇的出现，潜艇隐身等新技术的普遍采用，反潜问题受到各国空前的重视。一种有效的方法是转向测试螺旋桨低频噪声，安静型潜艇和舰船的本征噪声都在低频段，这就需要低频段的矢量水听器。即要求探测换能器具有低频检测能力。低频三维空间全向矢量检测器已成为新的技术需求。这种低频矢量水听器的研制成功可以预期解决远程传播低频信号的检测问题。同时，随着目标信号的减弱，高灵敏度检测问题也变得迫切。

光纤振速型矢量水听器，可探测其“次声”峰值噪声，布阵后适合作海岸警戒声纳，探测安静型潜艇、海啸预警。具有易于多单元复用、能够电无源工作、长距离信号传输能力强等技术优势。微光学结构光纤水听器技术是直接将传感器刻在光纤上，具有体积小、易于波分复用、制作工艺相对简单、性能可靠等优点，适用于大型岸基海域防卫警戒系统、舰载声纳阵、海洋噪声监测阵等应用场合，尤其是水听器拖曳阵应用场合。

将压阻原理、MEMS 技术应用于矢量水听器是一种新原理、新方法的尝试。采用压阻原理的微结构矢量水听器可以使矢量型水听器尺寸微型化，探测灵敏度优于压电陶瓷式水听器，并且，压阻效应的优势是可以测量直到零频的低频范围，适用于低频测量，可用于安静型潜艇的探测。

通过MEMS技术，可以实现敏感检测部分与信号处理电路的集成设计，所有这些都可以在芯片上规模完成。在一个衬底上将传感器，信号处理电路，执行器集成起来，构成微电子机械系统是人们很早以来的一个愿望，这一愿望的实现是以 JKJA 技术为支撑的。JKJA 技术由于具有 3M特点即：微型化，多样化，微电子化，使 JKJA 技术的发展显示出巨大的生命力。它把信息系统的微型化，多功能化，智能化和可靠性水平提高到新的高度。声纳用传感器的研究工作有了突飞猛进的发展，采用新技术的水声传感器的研究工作不断深入，从大的阶段看，水声传感器的应用分为标量水听器的应用、矢量水听器的应用、光纤水听器的应用、MEMS水听器的应用几个技术阶段。目前，国外正处于从标量水听器的应用向矢量水听器的应用、光纤水听器的应用转变的阶段，MEMS水听器的应用还处于实验室研究阶段。

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