水听器和被动声学测量

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水听器是用来接收水中的声信号的仪器,它是将声信号转换成电信号的换能器,用来接收水中的声信号。水听器广泛用于水中通信、探洲、目标定位、跟踪等,是声纳的重要部件,水下的探测、识别、通信,以及海洋环境监测和海洋资源的开发,都离不开水声换能器。

水听器和被动声学测量

根据作用原理、换能原理、特性及构造等的不同,有声压、振速、无向、指向、压电、磁致伸缩、电动(动圈)等水听器之分。水听器与传声器在原理、性能上有很多相似之处,但由于传声媒质的区别,水听器必须有坚固的水密结构,且须采用抗腐蚀材料的不透水电缆等。

声压水听器探测水下声信号以及噪声声压变化并产生和声压成比例的电压输出。声压水听器是水声测量中不可少的设备,是被动声呐系统中的核心部分。根据所用灵敏材料的不同,声压水听器可以分为:压电陶瓷声压水听器、PVDF 声压水听器、压电复合材料声压水听器和光纤声压水听器。

在水声领域,通常,将传感器称为换能器,接收换能器主要包括标量传感器和矢量传感器,也叫标量水听器和矢量水听器。在声场测量中,传统的方法是采用标量水听器(声压水听器),只能测量声场中的标量参数,典型的标量水听器如B&K公司的810X系列,常作为水听器标准使用。矢量水听器可测量声场中的矢量参数,它的应用有助于获得声场的矢量信息,对声纳设备的功能扩展具有极为关键的意义。

海洋中被动声学测量方法是基于使用水下麦克风(即水听器)收听声学信号。与主动声学方法不同,在被动声学方法中不需要声学发射器。被动声学方法在水下介质中有效地工作,因为声学传播不依赖于水流和水的浊度。此外,即使泄漏的尺寸很小,泄漏产生的声学信号也可能很强。因此,与其他方法相比,被动声学方法在定位水下天然气管道中的泄漏孔方面有较大优势。为了确定水下介质的泄漏源,研发了基于被动声学的各种技术,其中包含到达时间(time of arrival,TOA)、到达时间差(time difference of arrival,TDOA)、接收信号强度(received signal Strength,RSS)、到达方向技术(direction of arrival,DOA)。TOA、TDOA和DOA技术不适用于定位水下天然气管道中的泄漏孔,TOA技术需要准确地知道信号何时从钻孔到达水听器,而我们不可能知道水下天然气管道何时发生泄漏。另一方面,TDOA技术需要到达时间的差异,而这种差异不可能会被观察到,因为管道不可能全部发生泄漏。由于水听器的移动效应引入了多普勒频移,因此DOA技术不适用于水下介质。与TOA、TDOA和DOA技术不同,RSS技术不需要时间同步、到达时间信息,并且对移动性影响不敏感。此外,与TOA、TDOA和DOA技术相比,RSS技术具有成本效益,并且更容易实现。

Yigit Mahmutoglu等人提出了一种新型的基于被动声学的系统,用于远程检测声学信号、定位泄漏孔并确定泄漏孔的大小。还研究了由水下天然气管道中的泄漏孔产生的声学信号的性质。所提出的定位方法是基于RSS技术。通过数值研究和仿真工作分析了该方法的成功性。数值研究中使用的参数取自一条假设管道,该管道的规格与马格里布-欧洲天然气管道相似。数值结果表明,叠加和平均过程(在一定的测量次数内)显著降低了平均位置误差。结果表明,根据水下环境噪声、检测方法、接收器数量、源强度和测量数量,可以在几公里外以较低的平均位置误差定位泄漏。下图展示的是基于RSS方法的检测和定位流程图。

水听器和被动声学测量

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