驻波管测试下压差式光纤矢量水听器的改进

　　0　引言

　　矢量水听器因其优异的性能而备受关注，其指向性具有“8”字型，相比标量水听器在同样的空间点能获得几倍的信息输出，能更全面地感知声场信息。光纤矢量水听器作为矢量水听器发展过程中的一个重要分支，具有可靠性和大规模成阵能力[1]。已研究的光纤矢量水听器按其原理主要分为压差式[2]和同振式[3]。矢量水听器必须校准后才能使用，目前关于压 差式矢量 水听器的校准主要采用驻波管法[4-5]和水池法[6]。

　　本文研究了一种简单的压差式光纤矢量水听器的驻波管校准方式。矢量水听器一般应用于平面行波场或近似行波场的水域，采用该校准方式在实际应用中可能会存在一定的问题[7]，提出可通过在单一维度上采用双干涉仪结构的光纤声压传感器并对上述校准过程简单改进就可解决此问题，最后对设计制作的一维压差式光纤矢量水听器进行了性能测试。

　　1　原理

　　1.1　驻波管校准实验室条件下校准

　　矢量水听器常采用驻波管法[8]，因为驻波管能获得稳定的声场，测试的不确定度相对较小。驻波管中的声场满足

　　式中d为驻波管中测量点距水面的距离。在声场分布如式(1)所示的驻波管中，压差式光纤矢量水听器的相位差为

　　式中：Me为压差式光纤矢量水听器单个声压传感单元的灵敏度;D为两个声压传感单元各自声中心的距离;θ为压差式光纤矢量水听器测量轴与驻波管管轴的角度。由此可见，压差式光纤矢量水听器的相位差不仅与入水深度、声压传感单元的距离有关，还与悬挂角度有关。与角度有关的项sin(kDcos(θ/2))反映了水听器的指向性，通常规定指向性最大时测量的相位与声压的比为声压相位灵敏度，采用驻波管校准的压差式光纤矢量水听器的声压相位灵敏度表示为

　　式中：M0为标准水听器的灵敏度;U为标准水听器输出的电压值;A为标准水听器的电压放大倍数;d0为标准水听器距水面的距离;d1为光纤矢量水听器声中心距水面的距离。由于相位差与声压同频同相，式(3)对于实时测量也成立，只要保证压差式光纤矢量水听器输出的信号与标准水听器的信号完全同步。实际上为了减轻对采样的要求，通常选择测量波形的幅度进行比较。一般为了方便测量，将压差式光纤矢量水听器与标准水听器置于同一深度。

　　1.2　灵敏度不一致的影响

　　实际制作的压差式光纤矢量水听器，其两个声压传感基元的灵敏度不可能完全一致。假定灵敏度不一致指数Q为两个声压传感基元的灵敏度之比，Q=1表示两个声压传感基元完全一致。在驻波管中相位差可进一步写成