参量阵声场相位分布决定了其指向性特征和开发潜力,在实验室对其进行了细致的探究。计算和测试表明[1-2],差频波声场相位随离开基阵的距离线性增大,在接近1/3瑞利区后,相位达到稳定数值。在外场环境,尤其浅水水域,水介质微结构,如微气泡的存在,对高频声波而言并非稳定的均匀介质。而通讯、声场控制等领域尤其关注差频声场传播的相位保持问题[3-5]。注意到,外场应用的参量阵原波频段为几十千赫兹,该频段与水中大量分布的微气泡的共振频段对应。近表面海水中含有丰富的微气泡,其主要尺寸分布在30~120 μm[6-10]。在平静海况下,也发现有大量气泡分布,其密度分布规律大体相似[11]。气泡带来参量阵辐射效率的提升,但由于不确定性和浮升的本能导致其时空分布具有随机性。结果可能将引起差频波声场相位特性在空间域和时间域的不稳定。文献[3]对50 kHz原频波在1 700 m的距离上测量,发现5 kHz差频波相位随时间的变异可达1.5倍波长,认为参量阵相位缓慢起伏是海洋内波原因,快速起伏是海水微结构所致。
由于相位对位置的敏感性,外场的精细测试极为困难。而参量阵由于其指向性尖锐,更带来了调试困难。甚至利用潜水员在海底安装、调整参量阵波束[3]。文献[12]提出采用比较法测量,避免传播距离的精确测量。
本文分析了参量阵相位、波束参数与介质的依赖关系,得到介质参数对差频波相位、波束的量化表达式。在不同海况的外场环境,利用几种方法进行了测量,对不同测量方法数据及其起伏进行了对比。
1 非均匀介质中暂态参量阵声场如图 1所示,对于表面幅度分布
$ \left\{ \begin{array}{l} {p_1} = {A_1}\left( {x, y} \right)\cdot{\phi _1}cos\left( {{\omega _1}t - {k_1}z + {\varphi _d}} \right)\\ {p_2} = {A_2}\left( {xy} \right)\cdot{\phi _2}cos({\omega _2}t - {k_2}z)\\ {\phi _{1,2}} = exp( - {\alpha _{1,2}}z) \end{array} \right. $ | (1) |
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其差频声场为[13]:
$ \begin{array}{*{20}{c}} {{p_d}\left( {r, t} \right) = \frac{1}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}}}\frac{{\beta \omega _d^2}}{{{\rho _0}c_0^4}}{{\rm{e}}^{{\rm{i}}({\omega _d}t + {\varphi _d})}}\cdot}\\ {\int\limits_V {{\phi _1}} \left( z \right){\phi _2}\left( z \right){A_1}\left( {x\prime , y\prime } \right){A_2}\left( {x\prime , y\prime } \right)1r{{\rm{e}}^{ - {\rm{i}}{k_d}r}}{\rm{d}}V} \end{array} $ | (2) |
其中:
$ \begin{array}{l} r = \sqrt {{{\left( {x - x\prime } \right)}^2} + {{\left( {y - y\prime } \right)}^2} + {{\left( {z - z\prime } \right)}^2}} \\ \;\;{\omega _d} = {\omega _1} - {\omega _2}, {k_d} = {k_1} - {k_2} = \frac{{{\omega _1}}}{{{c_1}}} - \frac{{{\omega _2}}}{{{c_2}}} \end{array} $ |
式中:(x′, y′, z′)为互作用区坐标;(x, y, z)为观测区坐标。设脉冲声波作用期间介质水平均匀,则:
$ {p_d} = \frac{1}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}}}\frac{{\beta {\omega _d}^2}}{{{\rho _0}c_0^4}}{D_t}{D_l}\frac{1}{R}{{\rm{e}}^{ - {\rm{i}}{k_d}R}} $ | (3) |
式中的孔径因子对振幅均匀分布A1A2=p0p0的活塞换能器求解为:
$ \begin{array}{*{20}{c}} {{D_t} = p_0^2S\frac{{2{J_1}\left( {{k_d}a{\rm{sin}}\;\theta } \right)}}{{{k_d}a{\rm{sin}}\;\theta }}}\\ {{D_l} = \frac{1}{{{\alpha _1} + {\alpha _2} + 2{\rm{i}}{k_d}{\rm{si}}{{\rm{n}}^2}\left( {\frac{\theta }{2}} \right)}}} \end{array} $ | (4) |
式中:a为换能器半径;s为其面积。由于气泡导致海水声速变异的相对数值有限,因此对孔径因子和幅度的影响并不明显。
因原波频率相近,其吸收系数近似相等。当只研究参量阵轴线附近的声场时,则:
$ {p_d}\left( {r, t} \right) = \frac{1}{{8{\rm{ \mathsf{ π} }}R}}\frac{{\beta p_0^2\omega _d^2s}}{{{\alpha _1}{\rho _0}c_0^4}}{{\rm{e}}^{{\rm{i}}({\omega _d}t - {k_d}R + {\varphi _d})}} $ | (5) |
水中微气泡在30~120 μm均有分布,可认为2个原波频率下的声速相等。声波相位数值可写为:
$ {\phi _d} \approx \frac{1}{{{c_1}}}({\omega _1} - {\omega _2})R + {\varphi _d} = \frac{{{\omega _d}}}{{{c_1}}}R + {\varphi _d} $ | (6) |
该式表明,微气泡导致海水介质声速频散时,差频波以原波频率的声速传播。而气泡的随机性可能带来差频波相位的起伏。
2 相位的直接测量直接测量意在发现浅海中的参量阵差频波相位的平稳性和起伏规律。海底或海面固定一个不随浪流变动的测量装置是极其困难的。同大多采用的方法类似,采用由铅鱼拉紧的软绳,在其末端固定水听器。如图 2所示。参量阵固定于开阔海域南向码头,水听器由码头延伸的钢架悬挂。水听器深度4 m,水深8 m,水听器与参量阵间距6.3 m。
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矩形参量阵,尺寸0.6 m×0.5 m,原波频率f=40 kHz,其瑞利区计算为8.0 m。差频波频率F=4、2 kHz, 信号长度L=30 ms,发射周期T=1 s。
考虑到浪、流导致水听器的位置变动,对每个脉冲,通过其高频原波同步测量水听器与参量阵的距离。对采集的623组数据计算相位如图 3所示。
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差频波相位的起伏达200°。其中存在由于气泡随机性导致的相位起伏,也有水听器位置的变动原因。取该水温下声速值,计算水听器位置实时监测如图 4所示。其变动范围为6.55-6.35=0.2(m),对应0.53倍波长,与相位的起伏范围对应。
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根据监测的传播距离,尝试对各个脉冲信号进行相位修正。图 5表明,相位起伏程度未能降低。根据前述分析,实现个位数的相位修正,定位精度需达到毫米级。显然采用水声定位的修正方法无助于相应频段的相位测量。
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由于波长的增大,水听器0.2 m的摆动范围对应2 kHz频率0.27倍波长,该频率下差频波的相位变动范围为100°。如图 6所示。
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根据监测的传播距离,对各脉冲信号进行相位修正。与前述情形类似,数据离散性增大。如图 7所示。
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对频率为500 Hz的差频波测量,采用了18 s的长脉冲信号。类似的装置下参量阵与水听器距离为16 m。逐点计算相位,结果如图 8所示。相位起伏范围约为25°~30°。相位起伏周期约为4 s,对应涌浪的周期。
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前述测量结果表明,涌浪带来水体的运动,导致水下传感器周期性摆动,使声波相位测量值出现较大范围的变动,相位起伏的数值范围与频率成正比。而由于气泡导致的相位变化淹没在水听器位置周期性摆动中。在没有固定装置的条件下,在海上直接测量参量阵远场相位,无法研究介质微结构带来的相位变异。
较大的相位起伏周期与文献[3]中得到0.2~0.26 Hz的结果相同。但文献[3]中将其归结为内波导致的介质微结构变化,没有考虑到海底接收阵的摆动因素。
3 相位的信号比较测量由于气泡的浮升机制,海水中难以存在数百微米的气泡[11],低频声波的散射和传播影响不大。可以同频的低频声波为参照对比研究参量阵声场。
研究换能器轴向方向,常规低频声源辐射波声场表示为:
$ p\left( R \right) = A\frac{1}{R}{{\rm{e}}^{ - i\left( {\frac{\omega }{{{c_0}}}R + {\varphi _0}} \right)}} $ | (7) |
式中:ω=ωd。如图 9所示,参量阵与低频声源同时、同位工作时,由于波数的差异,在距离r处,水听器测得的相位差为:
$ \begin{array}{*{20}{c}} {\Delta \phi = \left( {\frac{\omega }{{{c_0}}} - \frac{\omega }{{{c_1}}}} \right)r + \left( {{\varphi _0} - {\varphi _d}} \right) = \frac{{\Delta c}}{{{c_1}}}kr + \Delta \varphi }\\ {\Delta c = {c_1} - {c_0}, \Delta \varphi = {\varphi _0} - {\varphi _d}} \end{array} $ | (8) |
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式(8)表明,对于声速均匀介质,差频波与同频低频波处处同相(不计初相);对于声速频散介质,差频波与同频低频波的相位差随传播距离成正比;对随机介质,传播距离将放大相位差的起伏。
2种声波同步发射,采用(8)式的确可避免距离起伏问题。但外场测量中,由于相位、信噪比的时变性,采用分时(延时)发射、分别测量的方法可能是唯一选择。由于水听器位置的时变性,延时发射同样导致相位差起伏。对在T周期变动幅度为d的水听器,延时Δt导致的相位差为:
$ \Delta {\phi _{10}} = 2kd\frac{{\Delta t}}{T} $ | (9) |
对应第2节中的测试情况(T=4 s,d=0.2 m)当Δt=10 ms时,4 kHz声波相位的差异约为1°。考虑设备和技术的综合因素,式(8)应为:
$ \Delta \phi = \frac{{\Delta c}}{{{c_1}}}kr + \Delta \varphi + \Delta {\phi _{10}} $ | (10) |
其中仅第1项为本研究关注的数值,后面2项分别为设备初相位差和时延偏差。采用同一类型信号以相同的时延测试,Δc=0,可剥离介质声速频散的因素,获取时延偏差,矫正发射和接收设备的初相差。
采用参量阵,延时10 ms发射2 ms宽度的脉冲,以“纯净”的直达波矫正,如图 10。延时器存在4 μs的固定偏差,对应4 kHz初相偏移为Δφ=5.8°。而由于涌浪导致的随机起伏为±(1°~2°),与式(9)的预估相符(图 11)。
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海上在远离声源的远场保持稳定的传播距离极其困难,除非声源和接收器均固定在海底。但远场中2只水听器的相对固定是容易做到的。为此可在第3节中通过信号比较测量相位的基础上,进一步采用两接收器的比较法测量[12]。
在图 9的基础上增加一只水听器,如图 12所示,参量阵声源与常规声源同步发射,传播方向上分置的水听器分别测量2列声波在介质传播中产生的相位差。
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对远场r2、r1距离上间距d的2只水听器,分别测量的数值相减,由(8)式得:
$ \Delta {\phi _r} = \Delta {\phi _2} - \Delta {\phi _1} = \frac{{\Delta c}}{{{c_1}}}{\left| {_{{r_2}}k{r_2} - \frac{{\Delta c}}{{{c_1}}}} \right|_{{r_1}}}k{r_1} $ | (11) |
在秒级以下的时间间隔,在参量阵工作的局部水域,认为海水介质水平均匀分布,则:
$ \Delta {\phi _r} = \frac{{\Delta c}}{{{c_1}}}kd $ | (12) |
该数值为差频波与低频声源的相对相位的差值,为与前述相位差的称谓区分,简称其为“相对相位差”。对于均匀介质,差频波与低频波相位差与距离无关,相对相位差为零;对于声速频散介质,相对相位差与水听器间距成正比。
两接收器刚性固定或间距保持稳定是容易做到的。与式(10)对比,无需考虑测试装置在海中的位置变动和测试设备初相问题,降低了测试不确定度。与图 10的试验条件相同,在5 m后增设了一只水听器进行数据校核,2水听器波形时序如图 13所示。
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如图 14所示,同一信号延迟10 ms发射,由于水听器位置变异导致的信号相位差
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同第2节的测试条件相同,增加一常规换能器和水听器,如图 15。水听器与参量阵之间的距离分布为3.6 m、6.3 m。2只水听器的力学配置相同,保证了水听器相对距离稳定。
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各脉冲的处理数据如图 16所示,测量值在36.0°~53.0°。由于夏季南风导致外海输入的涌浪拍打直堤,测试水域可视为充分搅拌的含气泡海水介质。相对相位差数值高(均值45°),且存在强烈起伏可视为富含气泡海水的鲜明特征。
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在气泡含量小的水域测量现象有所不同。11月份半封闭的港湾, 停泊的测量船为测试平台,如图 17所示,水深8 m,工作深度4 m。港湾内涟漪、涌浪幅度较小。气泡来源主要是周期性涌浪拍打码头、船舷卷入的空气。水听器距声源的距离分别为7.4 m、12.5 m。
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各脉冲的测试数据如图 19所示。差频波相对相位差为13.0°,数据起伏在9.0°~17.0°。由于冬季海况良好,港内海水气泡含量少,数据均值及其起伏程度低于开放码头水域数值。
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1) 参量阵差频波由高频原波在介质内互作用产生,高频声速对含气泡海水的敏感性导致了差频波相位的起伏与变异。
2) 涌浪是导致传感器位置变动的主要原因。由于相位对传播距离的高度敏感, 直接测量时,差频波相位随涌浪周期性大幅度起伏,难以发现由于介质导致的相位变异。
3) 引入低频比较信号,可得到差频波相位随介质微结构的起伏特性,但同时产生了引入设备的相位以及时延控制问题。利用2只水听器,通过测量差频波的相对相位差,消除了引入设备的相位、时延差异,得到了介质本身因素产生的相位数值。采用简易的软绳吊放技术,在比较法测量中,相位测量不确定度达到1.0°~2.0°。采用该方法得到了不同海洋环境中参量阵相位的变异数值。
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