水听器指向性
水听器指向性测试及其在高强度聚焦超声(HIFU)设备测试中的应用
果表 明水 听器指 向性具有一定的不对称性 ，这个是 由于制造工业等原 因造成的。 因此 ， 沿着一个轴的方 向测试水听器的指 向性是不能满足测试需求 的。在描述Ｈ Ｉ Ｆ Ｕ 声 场的时
候 ，有 必要校 正 水 听器 的指 向性 。
关 键 词： 水听器
高强度聚焦超声 应用
Ｈｙｄｒ ｏ ｐｈｏ ｎｅ Ｓｐａ ｔ ｉ ａ ｌ Ｄｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖｉ ｔ ｙ Ｔｅ ｓ ｔ ａ ｎｄ ｔ ｈｅ Ａｐｐｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ＨＩ ＦＵ Ａｃ ｏ ｕｓ ｔ ｉ ｃ Ｆ ｉ ｅ １ ｄ Ｔｅ ｓ ｔ
ｍｅ ｓｕ ａ ｒ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ａ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｉ ｓ ｏ ｎ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ ｍｅ ａ ｓ ｒｅ ｕ ｄ ｄ ａ ｔ ａ ｏ ｆ ＨＩ Ｆ Ｕ ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｗｉ ｈ ｔ ｈｅ ｔ ｍ ｉ ｓ ｇ ｉ ｖ ｅ ｎ Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｈｅ ｔ
，
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：
ｍａ ｙ ｂ ｒ ｉ ｎ ｇ ｅ ｒ ｒ ｏ ｒ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｃ ｔ ｕ ａ ｌ ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ． Ｓ ｏ ｉ ｔ ｉ ｓ ｎ ｅ ｃ ｅ ｓ ｓ ａ ｒ ｙ ｔ ｏ ｍｅ ｅ ｔ ｓ ｏ ｍｅ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ
ＨＩ Ｆ Ｕｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：
ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｐ ｈ ｏ ｎ ｅ ， ＨＩ Ｆ Ｕ， ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
阵列阵增益与指向性对比分析
功率级与一个能发出相同总功率的没有指向性的发
射单元所发出的信号功率级之差[11]，其用来反映将声
能聚集到某一方位的能力。接收指数物理定义为：由
一个没有指向性基元输出的环境噪声功率级与阵列
输出的环境噪声功率级之差，它反映了阵列抑制各
向均匀同性噪声的能力[3]。总而言之，指向性指数越
大，反映阵列聚集信号能量于某一方向或者抑制环
境噪声的能力越强。根据互易原理，如果组成阵列的
多个基元是可交换的，则其接收和发射指向性函数
是相同的，因而接收和发射指向性指数是一样的，表
示如下：
蓘 乙 乙 蓡 DI 越 10lg
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ4仔
2仔 仔/2
D（2 兹，渍）cos兹d兹d渍
0
-仔/2
（3）
式中，D（兹，渍）为阵列的归一化声压指向性函数，
渍 为水平方位角，兹 为竖直方位角。对于舰船尾部水
间的关系。张天伟等[9]研究了一种具有超增益性能的 以单向水听器作阵元的基阵的指向性能，对小尺度 阵列稳健的波束形成方法进行了数值仿真，结果表 明基阵指向性能随信噪比的降低和阵元间距与波长 比的减小而变差，利用白噪声增益约束法和对角加 载法可以获得良好的低频接收性能。余桐奎[10]研究了 矢量声压组合基阵近场聚焦波束形成的水下噪声源 定位方法，该方法利用矢量水听器的单边指向性抑 制噪声源定位中的左右模糊，同时结合声压基阵 MVDR 算法高分辨特点，实现了水下噪声源近场高 分辨定位。
为了深入理解阵列增益和指向性的区别与联 系，在上述研究工作基础上，本文将从物理定义出发 对阵列增益与指向性进行分析和比较，并通过数值 计算加以验证，以强化两个性能指标在水声工程中 的应用。
1 指向性指数与阵列阵增益和定义
声学测量指导书
声学测量实验指导书陈洪娟哈尔滨工程大学水声工程学院2005.4.16第1部分必做实验实验1 声学测量仪器设备认知实验一、实验目的通过本实验掌握声学常用测量仪器的使用方法，并了解声学测量实验应该满足的条件要求和实验室进行实验时的注意事项。
二、实验内容与要求：1、内容单台演示各测量仪器的功能，并连接成测量系统演示水声信号。
2、要求教师操作并讲解，学生提问并试操作。
实验2 水听器自由场电压灵敏度校准一、实验目的通过本实验掌握水听器灵敏度的比较校准方法，并熟悉有关测量仪器的使用。
二、实验原理与方法1．水听器的灵敏度水听器就是水声接收换能器，它是把水下声信号转换为电信号的换能器。
水听器的灵敏度就是水听器的接收灵敏度，通常是指开路电压灵敏度，可分为自由场灵敏度和声压灵敏度。
（1）自由场[电压]灵敏度M在平面波自由声场中，水听器输出端的开路电压oc e 与在声场中引入水听器前存在于水听器声中心位置处的自由场声压f p 的比值，称为水听器的自由场电压灵敏度。
符号为M ，单位是伏每帕V/Pa ，以数学式表示为：f ocp e M = （1）自由场电压灵敏度是相对于平面行波而言的。
如果水听器是无指向性的，则不论平面波从哪个方向传来，灵敏度都是相等的。
如果水听器是有指向性的，则灵敏度随平面波入射方向而变。
因此，在水听器上必须标明正对平面波的入射方向、频率和输出端。
自由场灵敏度M 与其基准值r M 之比值的以10为底的对数乘以20，称为自由场[电压]灵敏度级，符号为M 、单位是分贝，以数学式表示为：M )/lg(20r M M = （2）自由场灵敏度级的基准值r M 为1V/μPa 。
（2）声压灵敏度水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值称为水听器的声压灵敏度，符号为p M 。
当用分贝表示时，称声压灵敏度级，符号为p M 。
如果水听器的最大线性尺寸远小于水中波长，且水听器的机械阻抗远大于水听器在水中的辐射阻抗，则其声压灵敏度[级]等于自由场电压灵敏度[级]。
水听器的在线性能
１：＋ ２．（ｃ２ （ ＩＩ＋ｒ。ｋ ｓ ＋） Ｉ ， ｃ２ ｏ ］ ． Ｉ ｓｌ １ ）
对 于绝 对 软 障 板 ，有 ＝１ ｑ＝ ： 即 ， ｓ
＝
图 Ｉ障 板 作 用 原 理 图
【— ｃｓ ｋ ｏＯ］ ＝ ｓ （ ｏ０ ２ ２ｏ（ Ｈｃｓ） ２ｉ ｋ ｓ） ２ ¨ ｎ Ｈｃ
，＝ ２ 。 。－ｇ
（＋ｇ］ ２（＋ ］ｌ ０ ｏ
ｃ ５
水 听 器 灵 敏 度 与 频 率 厂 波 数 ｋ和 入 射 角 有 关 。 或
３ 试 验 结 果
３ １ 单 条 在 线 水 听 器 的指 向性 测 量 ．
３ １１ 测 量 过 程 ．．
圆 柱 基 阵 架 表 面 全 部 敷 设 有 反 声 障 板 ， 水 听 器 是 通 过 障 板 上 的 开 孔 固 定 到 基 阵架 上 ， 这 样 水 听 器 背 部 的 声 场 就 受 障 板 反 射 的 影响 。将 安 装 好 的 基 阵 、 发 射 换 能 器 、 标 准 水 听 器 放 于 水 下 ， 发 射 换 能 器 分 别 发 不 同频 率 的 单频 脉 冲 信 号 ， 选 择 一 条 被 测 水 听 器 ， 将 此 水 听 器 条 相 对 于 标 准 水 听 器 之 间 的 角 度 进 行 均 匀 改变 ， 每 剑 一 个 角 度 ， 凄取 被 测 水 听 器 的 数 值 ， 并 根 据 式（） 算 出理 论 声 压 值 。 １计 ３１ ．． 条 在 线 水 听 器 的指 向性 图 ２单 图 ２ 为 不 同 频 率 的指 向性 图 。其 中 实线 为 测 量 值 ，虚 线 为根 据 式 （） 算 的 理 论 值 ， 点 划 １计 线 为假 设声障板 为绝对 软的条件下计 算的理论 值 。 ： ■■
(完整版)水声换能器的基础知识
水声换能器基础知识地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。
而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。
声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。
在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。
1. 水声换能器的应用目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。
这里仅介绍几种在水下探测方面的应用：（1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。
根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。
以频率范围在10kHz~200kHz的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。
对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。
（2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。
一般工作频率在100kHz~500kHz。
（3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。
拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。
水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。
2. 水声换能器的分类换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。
(完整版)水声换能器的基础知识
水声换能器基础知识地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。
而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。
声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。
在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。
1. 水声换能器的应用目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。
这里仅介绍几种在水下探测方面的应用：（1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。
根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。
以频率范围在10kHz~200kHz的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。
对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。
（2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。
一般工作频率在100kHz~500kHz。
（3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。
拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。
水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。
2. 水声换能器的分类换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。
光纤水听器基本参数
光纤水听器基本参数
光纤水听器是一种用于监测水声信号的设备，它通常用于海洋
科学研究、海洋资源勘探、水下通信等领域。
光纤水听器的基本参
数包括以下几个方面：
1. 接收频率范围，光纤水听器的接收频率范围通常是其重要的
基本参数之一。
它决定了水听器能够接收到的水声信号的频率范围，一般来说，光纤水听器的接收频率范围可以覆盖从几十Hz到几十
kHz的水声信号。
2. 灵敏度，光纤水听器的灵敏度指的是在单位输入信号下，水
听器能够输出的电信号强度。
灵敏度高的水听器能够更好地捕捉微
弱的水声信号，因此灵敏度是评价水听器性能优劣的重要参数之一。
3. 噪声水平，噪声水平是指水听器在没有输入信号时本身产生
的噪声电平。
低噪声水平能够提高水听器对微弱信号的检测能力，
因此噪声水平也是评价水听器性能的重要参数之一。
4. 动态范围，光纤水听器的动态范围是指在输入信号强度变化
较大时，水听器能够正常工作的范围。
动态范围大的水听器能够在
强信号和弱信号共存的环境下有效工作，因此动态范围也是评价水
听器性能的重要参数之一。
5. 频率响应特性，光纤水听器的频率响应特性描述了在不同频
率下水听器的灵敏度表现。
良好的频率响应特性能够使水听器在不
同频率下都有较好的信号接收能力。
综上所述，光纤水听器的基本参数包括接收频率范围、灵敏度、噪声水平、动态范围和频率响应特性等，这些参数直接影响着水听
器的性能和适用范围。
在选择和应用光纤水听器时，需要根据具体
的使用需求来综合考虑这些参数。
水声实验
-20
-30
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
-40
-45
-15
2.4
1.6
0.9
0.7
2.8
TL
距离 20
30
34.2 40
45
50
55
60
65
Vp（V） 5
4
4
3
2.6
2.4
2.2
2
1.8
距离 70
Vp（V） 1.6
L=151.4cm B=121.7cm H=88.7cm D=34.2cm Q=15 τ≤min()
声源级和传播损失
p(r) SL 20 log
P0
A
r
20 log 20 log
P0r0
r0
式中 P0 1Pa , r0 1m 。由上式可见，右边第一项为常数，它表示声源 强度等于离源中心 1m 处得声压级。可见，在声压和距离的双对数坐
标系统中，上式为一直线，并且距离每增加一倍，声压级减少 6dB。
一、实验内容：
心,否则发射器和接收器间距必须比有效声中心和转轴间距大 100 倍。发射器和
接收器的间距要满足远场条件。
将频率为待测水听器相应工作频率 f 的电信号加到辅助发射器上,且保持发
射声场恒定不变。转动待测水听器,记下各个方向上水听器的输出电压。
信号源
示波器
功率放大器
测量放大器
发射换能器
实验水槽 水听器
图 1 测量系统连接示意图
根据声压随球面波衰减及 SL 的定义式可得到 SL 的测量式如下 SL(R) PL(R) 20lg(R)
20 lg(电压有效值 ) 203 - 20lg(测放) 20lg(R)
数理统计方法在水听器灵敏度取值上的应用
数理统计方法在水听器灵敏度取值上的应用水听器是一种用于探测水下声信号的仪器，广泛应用于海洋科学、生物学、水文学、地球物理学等领域。
水听器的灵敏度是衡量其探测能力的重要指标，通常用接收灵敏度来表示，其单位为dB re 1μPa。
在水听器的设计和优化过程中，数理统计方法是一种常用的手段。
其主要通过数据分析和模型拟合等方法，为水听器的性能评估和参数调整提供了重要的支持。
数据采集与处理水听器的灵敏度通常需要通过实验来进行测量，其中数据采集和处理是非常重要的环节。
在实验过程中，应尽量控制外界噪声和干扰等因素，保证测试数据的准确性和可靠性。
通常采用的数据分析方法包括平均值、方差、偏差和相关系数等基本统计指标。
其中平均值是最常用的指标，可以用来估算灵敏度的中心值。
方差和偏差则可以用来反映灵敏度数据的分布情况和偏倚程度。
相关系数可以用来研究灵敏度与其他因素之间的关系。
参数优化与模型拟合水听器的灵敏度受多个因素的影响，如水声介质的属性、水听器本身的结构特性和信号处理算法等。
为了优化水听器的灵敏度，通常需要对这些因素进行充分的分析和研究，并对其参数进行优化调整。
在此过程中，数理统计方法可以提供一些有效的手段。
例如，可以采用回归分析方法，建立灵敏度与各个因素之间的数学模型，通过模型拟合和参数调整，得到最优的灵敏度取值。
此外，也可以采用因子分析、主成分分析等多元统计分析技术，从整体上把握影响灵敏度的主要因素，为参数优化提供指导。
可靠性分析与评估水听器的灵敏度对于科学研究和实际应用都具有重要的意义。
因此，评估其可靠性和稳定性也是非常必要的。
在此方面，数理统计方法可以提供多种可靠性指标和评价方法。
例如，可以采用方差分析等方差齐性检验方法，检验不同试验条件下的灵敏度是否显著不同。
另外，还可以采用假设检验、置信区间等统计方法，评估灵敏度测量结果的可靠程度和置信度。
这些手段可以帮助提高灵敏度测量的准确性和信度，提高水听器的实用性和可靠性。
水声学原理(第一章)
13
声学中不仅声学量用分贝表示，它们的误差范围也用误差表示， 声学中不仅声学量用分贝表示，它们的误差范围也用误差表示， 例如 ±2dB, ±3dB。
用分贝表示的误差与百分比误差的换算关系：设声压是 p ±∆p 用分贝表示的误差与百分比误差的换算关系： 则有，图给出其关系曲线： 分贝表示是 L ±∆L ，则有，图给出其关系曲线：
2
不能在水中远距离传播 能远距离传播
1.2、声呐与雷达的异同 1.2、
声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－ 声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。 声呐和雷达有重要差别。
a.电磁波速度30万公里/ a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定： 电磁波速度30万公里 声波在水中1.5公里/ 1.5公里 决定： •工作频率差别大。雷达频率约GHz（ 109 Hz） 工作频率差别大。雷达频率约GHz（ Hz） 工作频率差别大 GHz •工作速率差别大。雷达搜速快，声呐搜索慢 工作速率差别大。雷达搜速快， 工作速率差别大 •分辨率差。声图象模糊。 分辨率差。声图象模糊。 分辨率差 声呐频率约kHz（ Hz） 声呐频率约kHz（ 103 Hz） kHz
5
1.5 声呐简介 声呐（声纳） 声呐（声纳）-SONAR(Sound Navigation and Ranging)
凡是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统， 凡是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统，都通称为声呐系 统。声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。 声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。 按安装平台分可以分为： 按安装平台分可以分为： 潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有 ～ 部声呐 主要有： 部声呐。 潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有10～15部声呐。主要有： 艏部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。 艏部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。 水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。 水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。 机载声呐和浮标：吊放声呐；声呐浮标。 机载声呐和浮标：吊放声呐；声呐浮标。 海洋水声监视系统：岸站（岸边海底固定式声呐）；预警系统 海洋水声监视系统：岸站（岸边海底固定式声呐）；预警系统 ）； 水声对抗器材：鱼雷报警声呐；声诱饵；干扰器； 水声对抗器材：鱼雷报警声呐；声诱饵；干扰器；气幕弹 水中兵器自导：鱼雷声自导；水雷声引信； 水中兵器自导：鱼雷声自导；水雷声引信； 其它：通讯仪、鱼探仪、多普勒测速仪、浅地层剖面仪等。 其它：通讯仪、鱼探仪、多普勒测速仪、浅地层剖面仪等。
光纤矢量水听器指向性锐化技术研究
（ 防科 学 技 术 大 学 光 电 科学 与 工程 学 院 ，长 沙 ４ ０ ７ ） 国 １０ ３
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｉｅ ｔｖｔ ｈ ｒ ｅ ｉ ｇ ｏ ｐ ｉａ ｔ ｄ ｎ ｄ ｒ ｃ ｉｉ ｓ ａ ｐ ｎ ｎ ｆ ｏ ｔｃ ｌ ｙ
ｉ ｒ ａ ｏ ｔｃ ｖ ｃ ｏ ｅ ｏ ｆｂｅ ｃ ｕｓ ｉ － ｅ ｔ ｒ ｓ ｎｓ ｒ
１ 引 言
光纤 水 听器 和矢 量水 听器 是近些 年来 出现 的新
（ ） ￡＋ （）其 中ｐ（） 窄 带 信 号 ，（） 噪 ， ｐ（） ｅｔ ， ｔ为 ｅ ｔ为 声 矢量 的复表 示 ． ・
（ ） ［ｏ Ｏ ｏ ￣，ｏ Ｏｉ￣，ｉＯ １ 为 信 号 方 ， ＝ ｃ ｓ ｃ ｓ ｃ ｓ ｓ ｓｎ ， ］ ， ｎ 向矢量 ， ＤＲ波束 输 出为 ＭＶ
（ ， ） （ ， （） Ｗａ（ ） （） 其 ０ ０ ） ｔ＋ ， ｔ ， 中ａ（ｓ ） 常规 波束形成 导 向 因子 ， 足 ｅ， 是 满
＝
型水 听器 ， 普通声 压水 听器 相 比 ， 与 它们有 着较 为优 越的性 能 ［， １ 光纤 矢量 水 听器 则结 合 了二 者 的优 势 ． ］
指 向性得 到 了极 大锐 化 ， 也 证 明了 Ｍｖ Ｒ在保 证 这 Ｄ
信号方 向输 出不 变 的前提下 ，使 噪声 输 出得 到 了极
大压 缩 。
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第２ ６卷 第 ５期 ２０ ０ ７年 １ ０月
声
学
技
术
Ｖｏ ．６， Ｎｏ ５ １ ２ ． Ｏｃ ． ２ ０ ｔ， ０ ７
Ｔｅ ｈｎ ｃ ｌ ｃ ｉ ａ Ａｃ ｓ ｉｓ ｏｕ ｔｃ
光 纤矢 量水 听器 指 向性 锐化 技 术 研 究
第三章 水声测量
2
则
p
2cu0
s in
ka2 4r
2cu0
a 2
sin
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p(r, t )
j
u0 a 2
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2
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s in
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当 很小时， sin 所以
若 ka2 4r
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r
2
sin
ka 2 4r
d
eox
d
p eop
Mp
e0 p p
MX
e0 x p
MX
MP
eox eop
实验室发送电压响应测量方法
eop
d pd
SV
Pd d Ui
pd
eop Mp
SV
eop Ui
d 1 Mp
测量原理图（标准声源作参考）
IF
dX
F0
JX
eX
ZF0J X
eX I F0
eX pd X
• pdX dX • 1
将频率为待测发射换能器谐振频率f的电信号加到待测发射换 能器上,且保持加到换能器上电流(或电压)恒定(即保持发射声场稳 定不变)。转动待测换能器,记下发射换能器不同方位上水听器输出 电压值。
水听器指向性测量
发射器
d
接收器
将待测水听器安装在测量回转杆上,回转杆必须通过换能器的 有效声中心,否则发射器和接收器间距必须比有效声中心和转轴 间距大100倍。发射器和接收器的间距要满足远场条件。
近似于圆形或方形活塞
水听器原理
水听器原理
水听器是一种利用水的传导性质来进行监听的设备，它可以在水下传播声音并将声音信号转化为电信号，从而实现对水下环境的监测和侦听。
水听器的原理主要基于水的传导性和声波的传播特性，下面将详细介绍水听器的原理及其工作过程。
首先，水的传导性是水听器能够正常工作的基础。
水是一种良好的传导介质，声波在水中传播的速度比在空气中要快得多，而且声波在水中的衰减也比在空气中小很多。
这就为水听器的使用提供了良好的传播条件，使得水听器可以在水下进行有效的声音接收和传输。
其次，水听器利用声波的传播特性来进行监听。
当声源在水中发出声音时，声波会通过水传播到水听器的接收器上。
水听器的接收器会将声波转化为电信号，并通过相应的电路进行放大和处理，最终输出成为可供人类听到的声音。
这样就实现了对水下声音的监听和侦测。
另外，水听器还可以利用声波的反射和折射原理来实现对水下环境的监测。
当声波在水中传播时，会受到水中各种物体的影响，如鱼群、潜艇、海底地形等，这些物体会对声波产生反射和折射。
水听器可以通过接收这些反射和折射的声波，来获取水下环境的信息，从而实现对水下情况的监测和侦测。
总的来说，水听器的原理是基于水的传导性和声波的传播特性，利用水作为传播介质，通过声波的接收和处理来实现对水下环境的监听和侦测。
它在海洋科学研究、水下探测、水下通讯等领域有着重要的应用价值，为人类对水下世界的探索和监测提供了重要的技术手段。
通过不断的技术创新和改进，相信水听器在未来会有更广泛的应用和发展。
测量用水声换能器
水听器的过载声压级
引起水听器过载的作用声压级。 水听器的等效噪声压级 水听器主轴方向入射的正弦平面行波使水听器产生的开 路电压等于水听器实际输出的带宽1Hz的开路噪声电压 时，则该声波的声压级就是水听器的等效噪声声压级。
（3）GB/T4128-1995
一、二级标准水听器声学性能指标
灵敏度
• 指在水听器输出电缆末端测得的声压灵敏 度或自由场低频灵敏度。 • 按照国家标准规定用于1Hz~100kHz频率范 围的压电型标准水听器（以下同）： • 一级： 不低于-205dB(0dB re 1v /μPa) • 二级： 不低于-210dB（0dB re1v/μPa）
①发射换能器发送响应：
• 发送电压响应 • 发送电流响应
• 发送功率响应
发射换能器在某指定方向上 的自由场远场中离其声中心 某参考距离处的声压和该参 考距离的乘积与加到输入电 端的电压的比值。
②发射换能器的指向性
发射指向性图是表示它在自 由场中辐射声波时，在其远场中
声能空间分布的图象。
发射指向性因数和发射指向性指数
表示水听器在 远场平面波作 用下，所产生 的开路输出电 压随入射方向 变化的曲线图。
指向性响应图参数
00
2 10 dB
· 波束宽度
2 3dB
2 3dB
2 6dB
2 10 dB
90
0
20 dB
2700
· 旁瓣级
10 dB
-3dB
0 dB
1800
指向性指数 DI 和指向性因数
灵敏度校准及其准确度
• 低频段应用国标GB4130-84中规定的一级校准方法进行 校准，其校准准确度优于±0.5dB；高频段应用国标 GB3223-82中规定的互易法进行校准，其校准准确度应 优于±0.7dB。
PE法计算楔形海底环境噪声垂直分布和指向性 衣雪娟
PE 法计算楔形海底环境噪声垂直分布和指向性衣雪娟 林建恒 陈鹏 王彦 殷宝友（中国科学院声学研究所北海研究站，青岛，266023）The vertical distribution and directivity of ambient noise calculated by PE methodin a wedge-shaped bottomYi Xuejuan, Lin Jianheng, Chen Peng, Wang Yan, Yin Baoyou(Qingdao Laboratory of Institute of Acoustics, The Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266033, China )楔形海底是环境参数随水平距离变化的一种常见而主要的海洋环境类型。
在楔形海底、折射率随水平距离变化的海洋环境中，环境噪声场无法用通常的分层介质传播理论计算和预报。
本文基于静态环境噪声源模型，采用抛物方程法求解水平变化海洋环境中的声场，对楔形海底环境中的噪声垂直分布和指向性进行初步探讨，为进一步开展三维环境下的环境噪声预报奠定基础。
在进行环境噪声计算前，首先按照文献[1]所采用的与距离有关的楔形海底环境，对由耦合简正波方法与抛物方程方法计算的传播损失进行了对比，两种方法计算对比结果与文献[1]非常吻合。
在采用这两种方法对随水平距离变化海洋环境中的声场进行计算时，一般将距离r 划分为若干段，每个距离段内可看成是随距离不变的环境。
显见，增加距离轴分段数量时，两种方法的计算量都会增加，而简正波方法的计算量比抛物方程大得多。
鉴于抛物方程的计算结果与通常视为标准解的简正波的计算结果比较，其误差在可以接受的范围内，下面计算环境噪声时采用抛物方程法。
声场计算采用柱坐标形式，将垂直接收水听器阵作为z 轴，水平方向距离作为r 轴。
现设离散环境噪声源位于海表面以下深度为z '处的平行于海面的无限大平面上，在所计算区域沿距离r 方向均匀分布着M 个声源，声源相位φ在[0,2π]范围内呈均匀分布，那么所有声源对接收点(0,z)的贡献为：∑==M j i j j ez r p z P 1),()(φ (1)抛物方程解),(z r u j 与声压),(z r p j 有如下关系式：j r ik j j r e z r u z r p j 0),(),(=(2)总声场可以用PE 解表示： ∑=+=M j j j r ik i r z r u e z P j j 1),()(0φ (3)上式中PE 解),(z r u j 用抛物方程向前推进算法来进行求解，在得到总声场的基础上可以进一步求得垂直接收阵的噪声级以及垂直阵的波束响应：)),((log 20)(),(10z P SL z NL ωωω+= (4)21)sin()()(∑=∆-=m j k z i jj e z P B θθ (5)图1为计算时所采用的楔形海底和随机均匀分布噪声源示意图，坡度为度，海底分2层。
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收稿日期：!""#$"%$%%
作者简介：李书光（%&’()），男（汉族），山东莱州人，副教授，硕士，从事应用声学研究。
文章编号：%"""$*+,"（!""#）"!$"%#!$"!
单指向性水听器指向性影响因素的研究
李书光，张军，胡松青
（石油大学应用物理系，山东东营!*,"’%）
摘要：对二元相控阵单指向性水听器的指向性影响因素进行了理论分析，并对部分影响因素进行了实验验证。
结果表明，两个基元输出信号的幅值发生变化，或者其移相角度发生漂移，都会对单指向水听器的性能产生影响。
这为单指向性水听器的设计制作提供了一定的参考依据。
关键词：水听器；基阵；基元；指向性函数；单指向性
中图分类号：-(!, 文献标识码：.
! 水听器的指向性函数
由二元基阵水听器的基元排列方式及其声波的
入射方向［%］，两个基元的输出电压信号分别为
!%/!%"012［3（!")#$）］，（%）
!!/!!"012｛3［!")#（$4%567"）4#］｝&（!）
式中，!为振动角频率；#为波数；%为两基元相位
中心距离；$和"分别为声波传播距离与时间；"为
声波水平方向入射角度；#为电子移相角度；!%"
和
!!"
为两基元电信号输出幅值。
两基元输出信号合成后信号的幅值为
!!!/［!!%"4!!!"4!!%"!!"567（#)#%567"）］%／!&
（#）
如果两个基元的电信号输出幅值不完全相等，
具有关系!%"/（%4$）!!"
，且电子移相角度发生
漂移%#，即有#/&)#%4%#，则式（#）变为
!!!/!!"
｛（%4$）!4%)!（%4
$）567［#%（%4567"）)%#］｝%／!&（(）
对式（(）关于"求极值并验证可知，最大输出在"/ "8方向，且最大输出幅值为
!!!9:1/!!"
［（%4$）!4%)!（%4
$）567（!#%)%#）］%／!& （*）
根据指向性函数定义［!］，此时水听器的指向性
函数为
’（"）/｛［（%4$）!4%)!（%4$）567［#%（%4 567"）)%#］］／［（%4$）!4%)!（%4
$）567（!#%)%#）］｝%／!& （’）
如果调节两基元信号的幅值满足!%"/!!"/
!"
，且对信号!实施的电子移相角度为#/!)
#%，则水听器变为理想的单指向性水听器，最大输出方向为"/"8，最小零输出方向为"/%+"8，指向
性函数［%］为
’（"）/ %)567［#%（567"4%）］
%)567（!#%
｛｝）
%／!
& （,）
" 理论分析及实验结果
取相位中心距离%/#&(59，测试时接收声波
频率为(/#&";<=，!">水中声波传播速度取)/
%(+"9·7)%。
此时，#%/"&%#+!，代入式（’，,），可得
’（"）/｛［（%4$）!4%)!（%4$）567［"&%#+!（%4 567"）)%#］］／［（%4$）!4%)!（%4
$）567（"&!,’!)%#）］｝%／!，（+）
’（"）/ %)567［"&%#+!（567"4%）］
%)567（"&!,’&
｛｝）
%／!
& （&）
由式（+，&）可得到理想情况下及受影响后水听器的
指向性函数直角坐标理论曲线，见图%。
影响移相角度的因素比较多，如接受声波的频
率发生变化、移相电路工作不稳定以及噪声（如放大
电路热噪声、测量环境噪声）干扰等。
以(/#&"
;<=作为接收声波的中心频率确定电子移相角度，
通过改变接收声波的频率来观察移相角度变化对水
听器指向性的影响。
对中心频率(/#&";<=的接
收声波，移相角度应为#/!)#%/"&+’!!。
水听
器指向性的测试结果见图!。
!""#年第!,卷石油大学学报（自然科学版） ?6@A!, B6A!
第!期C6DEF:@6GHI0JFKL0E7KHM6GN0HE6@0D9，OIKF: .2EA!""#
第)2 卷第) 期李书光等单指向性水听器指向性影响因素的研究· 11! ·图! 水听器指向性理论曲线
图" 水听器指向性实验曲线
（（#）和图!"），
比较图!"），（（$）可以发现当两
基元输出信号幅值不相等和移相角度发生漂移且
漂移值!"!% 时水听器的单指向性不受影响仍
具有一个极大值和一个极小值极大值出现在!
&
%方向极小值出现在!&!(%
’’方向但最小输出方
向函数值却不再为零其结果是影响了水听器的信
噪比。
幅值差和漂移值"#"越大这种影响也越
大。
!#!% 的影响通过图)
"
（#）的实验结果得到了
（，*）可以发现当移相角度发生
验证。
比较图!"）（
漂移且漂移值!##% 时指向性函数出现两个极
大值和两个极小值主极大值出现在!&%
’方向副
极大值在!&!(%
’方向说明水听器不再具有单一
的指向性可以证明副极大值方向的指向性随漂移
（
值"!#"的增大而加强。
这一结论通过图)*）的实
验结果得到了验证。
# 结论
（!）当两个基元输出信号的幅值不相等时不影
响水听器的指向性但影响其信噪比。
（)）当移相角度发生漂移时有可能影响水听器
的指向性（!##% 时），同时也会影响其信噪比。
参考文献：
］
［!］李书光等+单指向性水听器的研究［,+石油大学学报，.，（!）!%(/!!%+
（自然科学版）!)%：
［)］何祚镛赵玉芳+声学理论基础［0 ］
+北京国防工业出
版社，-
!(!+
（责任编辑刘为清）。