固态拖线阵和液态拖线阵的试验分析

　　0 引言

　　在目标远程探测和海洋石油勘测领域，拖曳线列阵声纳以低频、孔径大等特点而被广泛使用[1-3]。作为其主要组成部分，拖线阵主要完成声信号的采集、放大、量化及将处理后的数字信号向干端部分的可靠传输，因此拖线阵的性能将直接决定整个声纳系统的稳定性和可靠性。目前，拖线阵中使用的水听器主要分为压电水听器和光纤水听器两种，压电水听器较为成熟，其组成的拖线阵已经被广泛使用;光纤水听器出现较晚，虽然国内外已经对其开展了大量的研究[4,5]，并取得了一定的进展，但使用其组成拖线阵的技术还不完善，因此本文讨论的拖线阵中均使用了传统的压电水听器。按照阵中填充的材料的不同，可以将拖线阵分为液态拖线阵和固态拖线阵两种。液态拖线阵应用较早，成阵技术也比较成熟;固态拖线阵具有自身的优点，因此近年来对它的研究也逐渐增多，但目前国内还没有给出比较两种拖线阵性能差异的数据。本文针对这种情况，通过对湖试数据的分析，比较了两种成阵工艺对系统性能的影响。

　　1 压电水听器及拖线阵结构介绍

　　1.1 压电水听器介绍

　　压电水听器通常采用压电陶瓷制成，当对这种陶瓷片施加压力或拉力，它的两端会产生极性相反的电荷，通过回路而形成电流，这种效应称为压电效应。如果把用这种压电陶瓷做成的换能器放在水中，那么在声波的作用下，在其两端便会感应出电荷来，这样就构成了压电水听器，其对应的方程式可表示如下[6]：

　　其中：hS为应变分量;Ehks为恒电场的柔性常数分量;kT为应力分量;ikd为压电常数分量;jE为电场强度;iD为电位移分量;Tijε为恒应力的介电常数分量。

　　在本次湖试中，两条拖线阵中使用的水听器为同一批采购的产品，经过测试，这批产品的各方面参数基本一致，其灵敏度均为−201±1.5dB re1V/μPa，有效频带为1Hz~5kHz，本试验中用到的频段低于2kHz，水听器尺寸为长38mm，直径16.5mm。某水听器的灵敏度响应曲线如图1所示，图中所得数据的测试环境：压力为0.3MPa，温度为22℃，湿度为60%。

　　1.2 拖线阵结构介绍

　　作为拖曳线列阵声纳的主要功能单元，本文涉及的液态拖线阵和固态拖线阵均为数字阵，其中的主要功能模块具有很强的通用性，可以根据需要灵活配置，而不用重新设计电路;此外，两段声阵均满足了细长阵的要求，成阵后其外径为39mm。为了便于比较性能差异，本次试验中使用的两条拖线阵均包含了16路压电水听器，当然，声阵在设计时充分考虑了可扩展性，可以根据实际需要灵活设置拖线阵中水听器数量。由于压电水听器的输出为幅度很小的模拟电信号，所以必须对其进行放大、采样并量化为数字信号后再通过数据传输系统传输到干端进行处理[7]。因此每段拖线阵中还包含了前放模块、A/D模块和数据传输模块，各部分协调工作，完成了对声信号的放大、处理和传输功能。上述各部分在拖线阵中的连接情况如图2所示(拖线阵中阵元间距为1m)。