[科普中国]-水听器

基本概念

水声换能器是将电信号转换为水声信号或将水声信号转换为电信号的器件，其在声纳中的地位类似于无线电设备中的天线，是在水下发射和接收声波的声学器件。将电信号转换成水声信号的换能器，用来向水中辐射声波，称为发射换能器。将声信号转换成电信号的换能器，用来接收水中的声信号，称为接收换能器，也常称为水听器。

分类根据作用原理、换能原理、特性及构造等的不同，有声压、振速、无向、指向、压电、磁致伸缩、电动（动圈）等水听器之分。水听器与传声器在原理、性能上有很多相似之处，但由于传声媒质的区别，水听器必须有坚固的水密结构，且须采用抗腐蚀材料的不透水电缆等。

声压水听器探测水下声信号以及噪声声压变化并产生和声压成比例的电压输出。声压水听器是水声测量中不可少的设备，是被动声呐系统中的核心部分。根据所用灵敏材料的不同，声压水听器可以分为：压电陶瓷声压水听器、PVDF 声压水听器、压电复合材料声压水听器和光纤声压水听器。

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。

矢量水听器在连续介质中，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。

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己成为新的技术需求。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1。

光纤水听器光纤水听器是利用光纤技术探测水下声波的器件，它与传统的压电水听器相比，具有极高的灵敏度、足够大的动态范围、本质的抗电磁干扰能力、无阻抗匹配要求、系统“湿端”质量轻和结构的任意性等优势，因此，足以应付来自潜艇静噪技术不断提高的挑战，适应了各发达国家反潜战略的要求，被视为国防技术重点开发项目之一2。

原理光纤水听器按原理可分为干涉型、强度型、光栅型等。干涉型光纤水听器关键技术己经逐步发展成熟，在部分领域己经形成产品，而光纤光栅水听器则是当前光纤水听器研究的热点。

光纤光栅水听器是以光栅的谐振祸合波长随外界参量变化而移动为原理。目前光纤光栅水听器一般基于光纤布拉格（Bragg）光栅构造，如图1所示。

图1

当宽带光源（BBS）的输出光波经过一个光纤布拉格光栅（CFBG）时，根据模式耦合理论可知，波长满足布拉格条件：

的光波将被反射回来，其余波长的光波则透射。式中 为FBG的谐振耦合波长，也即中心反射波长， 为纤芯有效折射率，n为光栅栅距。当传感光栅周围的应力随水中声压变化时，将导致 或n的变化，从而产生传感光栅相应的中心反射波长偏移，偏移量由

确定，这样就实现了水声声压对反射信号光的波长调制。所以，通过实时检测中心反射波长偏移情况，再根据各参数与声压之间的线性关系，即可获得声压变化的信息。

特点（1）低噪声特性。光纤水听器采用光学原理构成，灵敏度高，由于其自噪声低的特性决定了其可检测的最小信号比传统压电水听器要高2-3个数量级，这使弱信号探测成为可能.

（2）动态范围大。压电水听器的动态范围一般在80-90dB，而光纤水听器的动态范围可以到120-140dB。

（3）抗电磁干扰与信号串扰能力强。全光光纤水听器信号传感与传输均以光为载体，几百兆赫以下的电磁干扰影响非常小，各通道信号串扰也十分小。

（4）适于远距离传输与组阵。光纤传输损耗小，适于远距离传输.光纤水听器采用频分、波分及时分等技术进行多路复用，适于水下阵列的大规模组阵。

（5）信号传感与传输一体化，提高系统可靠性。激光由光源发出，经光纤传输至光纤水听器，并在拾取声信号后再经光纤传回到岸上或船上的信号处理设备，水下无电子设备。另外，光纤对水密性要求低，耐高温、抗腐蚀，这些都将大大提高系统的可靠性.

（6）工程应用条件降低。采用全光光纤水听器的声纳系统，探测缆及传输缆皆为光缆，重量轻体积小，系统容易收放，使过去无法实现的方案成为可能，特别对拖曳阵列，由于工程应用条件的降低而使许多问题简单化。

应用光纤水听器的主要军事应用包括：全光纤水听器拖曳阵列、全光纤海底声监视系统、全光纤轻型潜艇和水面舰船共形水听器阵列、超低频光纤梯度水听器、海洋环境噪声及安静型潜艇噪声测量。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。