2023, Vol. 45
随着水声对抗技术的不断发展，为了满足实战对抗需求，对于声靶、声诱饵及目标模拟器等水声对抗器材的拟真度性能都提出了更高要求。采用实收实发技术可以有效提高水声对抗器材的对抗能力，提高拟真度。实收实发技术是指在声学系统发射回波信号的同时接收主动探测信号，另外某些声学系统在此基础上同时一直发射模拟噪声[1]。实现此技术的难点在于如何减小声学系统发射端对于接收端的干扰，即如何增大声学系统发射端和接收端的声隔离度[2]。声隔离度主要由以下4个方面共同综合产生：1） 空间距离衰减；2）壳体障板特性隔离；3） 接收和发射换能器指向性隔离；4）干扰抵消信号处理算法[3]。
基于实现指向性隔离的目的，本文提出一种使接收换能器在指定方向形成指向性凹陷的方法。
1 原 理从20世纪50年代开始，关于球型结构的新型换能器即被研究用以获得全指向性的发射或接收响应[4-6]。至今全指向性球形换能器依然在各类声学系统中被广泛使用。
本文将以常见的全指向性球形接收换能器为例，在换能器表面黏贴吸声材料（橡胶）和反声材料（泡沫），通过吸声、反声材料减小换能器在指定方向接收到的声波，从而形成该方向指向性的凹陷，最后通过指向性测量装置测试该方法对接收换能器指向性的影响。
接收换能器指向性测量的试验装置如图1所示。选用稳定的发射换能器作为声源，建立辐射声场，保持辐射声场恒定不变，旋转待测换能器，记录其不同方向上的输出电压幅值，得到接收指向性图。
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图 1 接收换能器指向性测量试验装置 Fig. 1 Receiving transducer directivity measurement test device |
在直径10 cm的全指向性球形接收换能器表面黏贴宽度约2 cm的吸声橡胶条，分别测试其在21 kHz和30 kHz频率的接收指向性结果，如图2和图3所示。
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图 2 换能器黏贴效果示意图 Fig. 2 Schematic diagram of transducer sticking effect |
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图 3 接收指向性 Fig. 3 Receive directivity |
可以看出，在换能器黏贴吸声橡胶的一面（指向性图0°附近，下文将该面统称正面），接收指向性出现了−10 dB的明显凹陷，越接近吸声橡胶中心处凹陷越明显，且凹陷中心处有一凸起。另外也可观察到，在黏贴吸声橡胶处的背面（指向性图180°附近，下文将该面统称背面），一定开角范围内的指向性也出现了不同程度的凹陷。同时21 kHz的指向性图相比30 kHz的指向性图更加圆润，这是由换能器的频响特性差异导致。
2.2 黏贴反声泡沫在直径10 cm的全指向性球形接收换能器表面黏贴宽度约2 cm的反声泡沫条，分别测试其在21 kHz、30 kHz频率的接收指向性结果，如图4和图5所示。
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图 4 换能器黏贴效果示意图 Fig. 4 Schematic diagram of transducer sticking effect |
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图 5 接收指向性 Fig. 5 Receive directivity |
可以看出，正面（指向性图340°附近）接收指向性出现了接近−10 dB的明显凹陷，越接近吸声橡胶中心处凹陷越明显。与之前的试验结果相似，背面（指向性图160°附近）一定开角范围内的指向性也出现了不同程度的凹陷，同时21 kHz的指向性图相比30 kHz的指向性图更加圆润。
对比可知，黏贴反声泡沫相比黏贴吸声橡胶，其指向性凹陷前者不如后者尖锐，但在正面凹陷处，后者没有前者的明显凸起。
2.3 黏贴吸声橡胶并在其一侧黏贴反声泡沫在直径10 cm的全指向性球形接收换能器表面黏贴宽度约2 cm的吸声橡胶条并在其一侧黏贴宽度约1 cm反声泡沫条，分别测试其在21 kHz和30 kHz频率的接收指向性结果，如图6和图7所示。
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图 6 换能器黏贴效果示意图 Fig. 6 Schematic diagram of transducer sticking effect |
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图 7 接收指向性 Fig. 7 Receive directivity |
可以看出，正面（指向性图340°附近）接收指向性出现了接近−15 dB的凹陷，且凹陷呈现不对称性，黏贴反声泡沫的一侧（指向性图350°附近）凹陷更突出。与之前的试验结果相似，背面（指向性图160°附近）一定开角范围内的指向性也出现了不同程度的凹陷，同时21 kHz的指向性图相比30 kHz的指向性图更加圆润。
对比可知，正面指向性凹陷更为明显，凹陷中心无明显凸起，同时背面指向性凹陷相对更为平滑。
2.4 黏贴吸声橡胶并在其两侧黏贴反声泡沫在直径10 cm的全指向性球形接收换能器表面黏贴宽度约2 cm的吸声橡胶条并在其两侧都黏贴宽度约1 cm反声泡沫条，分别测试其在21 kHz和30 kHz频率的接收指向性结果，如图8和图9所示。
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图 8 换能器黏贴效果示意图 Fig. 8 Schematic diagram of transducer sticking effect |
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图 9 接收指向性 Fig. 9 Receive directivity |
可以看出，正面（指向性图5°附近）接收指向性出现了−15 dB以上的明显凹陷，30 kHz频率下凹陷甚至接近−20 dB。越接近吸声橡胶中心处凹陷越明显，同时仍可在21 kHz频率观察到凹陷中间的凸起。与之前的试验结果相似，背面（指向性图1185°附近）一定开角范围内的指向性也出现了不同程度的凹陷，同时21 kHz的指向性图相比30 kHz的指向性图更加圆润。
对比可知，在吸声橡胶两侧增加反声泡沫，可增加正面的指向性凹陷效果，使其更尖锐，同时对背面（180°附近）的凹陷反而能起到平滑作用，减少了背面的指向性损失。
2.4.1 加宽吸声橡胶增加吸声橡胶条宽度，从2 cm增加至4 cm，其余条件不变，即在全指向性球形接收换能器表面黏贴宽度约4 cm的吸声橡胶条并在其两侧都黏贴宽度约1 cm反声泡沫条，分别测试其在21 kHz、30 kHz频率的接收指向性结果，如图10所示。
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图 10 接收指向性 Fig. 10 Receive directivity |
对比可知，增加吸声橡胶条宽度，使得正面指向性凹陷的开角范围更大，开角范围由原来的85°增加至115°，但未引起正面指向性的进一步凹陷，仍在−20 dB范围内。同时一定程度上加剧了背面的指向性损失。
2.4.2 减窄反声泡沫减小反声泡沫条宽度，从1 cm减少至0.5 cm，其余条件不变，即在全指向性球形接收换能器表面黏贴宽度约4 cm的吸声橡胶条并在其两侧都黏贴宽度约0.5 cm反声泡沫条，分别测试其在21 kHz和30 kHz频率的接收指向性结果，如图11所示。
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图 11 接收指向性 Fig. 11 Receive directivity |
对比可知，减窄反声泡沫条宽度，在21 kHz条件下正面指向性凹陷有所减少，其余方面未有明显变化；在30 kHz条件下正面指向性凹陷更加尖锐，背面指向性曲线的凹陷有所缓解。
3 结 语本文提出了一种使接收换能器形成指定方向指向性凹陷的方法，通过在接收换能器表面黏贴吸声、反声材料，减小换能器在指定方向接收到的声波，从而形成该方向指向性的凹陷。并通过对比试验，分析比较了吸声、反声材料不同组合方式、不同大小对指向性凹陷效果的影响。由试验结果可看出，该方法可使接收换能器在指定方向形成−20～−10 dB的指向性凹陷。该方法实施简单、成本低廉，但在实际使用中应考虑为接收换能器加装透声导流罩，防止黏贴的吸声、反声材料因水流冲击而脱落。该方法可为实收实发、声隔离等技术及装备的实现提供有力的支撑。
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