航空声纳浮标用矢量水听器及其悬挂技术研究

发布时间：2018-11-06 15:40

【摘要】：声纳浮标是航空反潜平台普遍采用的声学探测设备,其性能在很大程度上决定了航空探潜的效率和精度。矢量水听器体积小、质量轻、低频性能优异,与航空声纳浮标相结合可以极大地提高航空探潜的作战效率。由于声纳浮标平台和矢量水听器的一般工作平台不同,这种平台差异对矢量水听器的外形、结构、悬挂方式等都提出了新的要求,因此本文针对航空声纳浮标平台与同振型矢量水听器各自的特点,研究一种适用于航空声纳浮标平台的矢量水听器及其悬挂结构。针对旋转椭球形矢量水听器缺少对应的声接收理论,本文分析了低频平面波声场中刚硬椭球体的声致振动响应。首先,利用结构振动与声辐射过程中结构与流体的力学关系,得到了任意形状刚硬体的声致振动响应,然后推导了理想低频声场中椭球体的同振质量,从而得到了椭球体声致振动的平动和转动响应结果。同时,利用有限元仿真的方法分析了声衍射效应对长椭球体的声致振动的影响。在声波垂直入射条件下,长椭球体的振速幅值随声波频率的升高而逐渐降低,并和离心率参数以及声波入射角度有关。当声波倾斜入射到椭球体上时,不对称的力引起的转动振动随着声波频率的升高以及椭球离心率的增大而增强。为验证同振型矢量水听器在声纳浮标平台中应用的可行性,本文研制了一只二维复合同振型矢量水听器。该水听器由一只声压水听器,一只二维压电加速度计,一只双轴磁罗经传感器,一块信号调理电路板,以及一只由柱壳和扁椭球壳构成的金属密封外壳组成,整体尺寸为直径80mm,高100mm,平均密度1.34g/cm3,设计工作频带5Hz～2500 Hz。其中,声压水听器在水中的共振频率为8 kHz,声压灵敏度-157 dB(0dB re 1 V/μPa,带前放增益41.6 dB);压电加速度计在空气中的共振频率为7.5 kHz,对应声压灵敏度分别为-166dB和-167dB(0dBre1V/μPa,100 Hz,带前放增益40dB);磁罗经由磁阻传感器HMC1022构成,方位测量精度保持在1°范围内;信号调理电路用来实现对传感器输出信号的放大和滤波。此外,论文还对矢量水听器的自噪声及流噪声特性进行了实验研究。同振型矢量水听器的声质点振速接收原理,要求矢量水听器必须配合柔性悬挂结构才能正常工作。本文针对声纳浮标平台的特殊性,对矢量水听器的悬挂方式进行了特殊设计。首先利用集中参数系统等效进行机电类比分析,研究了悬挂结构对加速度式矢量水听器的接收响应的影响;然后从理论上分析了使用不同数量柔性元件的悬挂结构对中性浮力球体振速响应的影响;接着利用单摆、复摆的运动理论分析了矢量水听器的单点悬挂模型,并且考虑了竖直悬挂、倾斜悬挂带来的影响,分析结果从理论上验证了矢量水听器采用单点悬挂的可行性。另外,为避免海面浮体的波动、海流冲击电缆引起的抖动等机械运动干扰耦合到矢量水听器中,声纳浮标平台必须安装减振结构,本文提出在矢量水听器悬挂系统中采用多层隔振结构以提高其抗干扰能力。首先从理论上分析了双层柔性悬挂的隔振效果及其对矢量水听器声质点振速接收的影响;然后通过振动台实验证明了双层悬挂结构的隔振效果比单层悬挂结构每倍频程提高12 dB;最后在矢量水听器单点悬挂的基础上设计了三层柔性悬挂结构,并通过水池实验验证了减振效果:对于竖直振荡干扰,双层悬挂结构的减振效果相比单层悬挂提高了 8.9dB,三层悬挂结构比单层悬挂提高了 16.5dB。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U666.7;TB565.1

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本文编号：2314706