基于近场声全息技术的声对接装置

　　1　引言

　　声对接技术就是利用声传播的近场特性，在一定的介质条件下(匹配材料)来模拟声场远场传播特性的技术。该技术广泛应用于鱼雷、水雷和声自导深弹等具有声自导能力的水中兵器的陆上半实物仿真实验[1～2]。

　　声对接技术以平面近场声全息理论算法为基础。在近场条件下，平面近场声全息技术可以根据不同对象的测试要求，正向推导或者逆向重构出声场分布以及最佳的重构距离，即传输介质厚度，不同的声场分布对应不同的阵元分布，从而设计出声对接阵[3]。

　　本文运用平面近场声全息理论推导声对接技术中最重要的对接阵阵元分布，并分析影响对接精度的因素，提出提高对接精度的方法，最后通过仿真进行了验证。

　　2　声对接装置

　　声对接装置主要由对接换能器基阵、模拟海水的阻抗匹配材料和声自导系统基阵组成，它们之间的关系如图1所示。

　　图1中，声自导系统基阵为鱼雷等水中兵器的换能器基阵，是声对接装置的主要服务对象，它决定了声对接阵要模拟的声压分布，进而决定了 声对接阵的总体结构。

　　对接阵是我们要设计的声信号辐射装置，针对不同的声自导系统基阵，需要有不同的对接阵来对接，以形成不同的声压分布。对接阵前端连接信号发生系统，信号发生系统将带有一定信息的声信号传送给对接阵，从而输出带有特定信息的声信号。匹配材料是具有海水声阻抗特性的特种橡胶材料，用于模拟海水介质[4]。

　　3　平面近场声全息基本理论

　　由平面近场声全息基本理论可知，如果能够得到源平面或者全息平面上的声压分布，就可以通过重建公式重建出任意声场的空间分布[5～7]，如图2所示。

　　其中声源平面zS位于z=0位置，全息平面位于z=zh，当重构面位于全息面以外，即z≥zh时，重建面声压p(x，y，z)可表示为[8～9]

　　当重建面位于全息面和声源面之间时，即zS≤z≤zh，则有

　　式(1)和式(2)表明，只要确定了格林函数，便可根据测得的全息数据计算出z≥zS上任一平面上的声压[10]。

　　4　声对接换能器基阵的声辐射特性

　　由于水中兵器声自导系统通常均以基阵形式发射和接收声信号，因此声对接系统也相应的需要以基阵形式来配合。

　　为了简化问题的复杂性，又不失一般性，本节我们取一个3×3方阵为例，采用平面近场声全息技术来进行分析研究。

　　取一个3×3的方阵，阵元之间的间隔为3cm，阵元半径为0.5cm，声源面孔径L=0.2m，则以基阵平面为xoy平面，建立如下坐标系。取信号频率f=15kHz，匹配材料厚度d=1cm，则声源面和重构面的声压幅值和相位分布如图4和图5所示。