优化用于海洋声学层析术的可调式风琴管

2016年 11月 1日

海洋声学层析系统通过在两个仪器之间传播音频信号来测量温度。这类系统一般需要利用低频信号来覆盖宽频带,并要求使用大功率声源。可调式风琴管能够平衡效率与功能,是实现上述目标的可靠选择之一。Teledyne Marine Systems 集团下设的 Advanced Technology Group 的研究人员使用仿真改进可调式风琴管设计,并对仿真与实验测试结果进行了比较。

什么是海洋声学层析技术

全世界的海洋非常广阔,这种说法绝对低估了海洋的真正规模。海洋大约覆盖了地球表面的 71%,马里亚纳海沟中的挑战者深渊(Challenger Deep)是目前已知的海洋最深处,深达 36000 英尺(约 11 公里)。要研究神秘而广阔的海洋环境,研究人员需要可遨游于深海的强大工具。

挑战者深渊的深度与珠穆拉玛峰的高度对比。
The depth of the Challenger Deep compared to the size of Mount Everest. Image by Nomi887 — Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons.
挑战者深渊的深度与珠穆拉玛峰的高度对比。图片由 Nomi887 拍摄,已获CC BY-SA 3.0授权,通过 Wikimedia Commons共享。

海洋声学层析是一种涉及深水和低频声源的技术,可用来测量海洋深度。该系统测量的是声音信号在声源和接收器之间传播的时间。因为声音在暖水中传播的更快,所以人们可以根据测量时间推算出声源和接收器之间的平均水温。

获得测量结果的前提是,远程海洋声学层析术能够用低频信号覆盖宽频带,这通常要求使用大功率的声源。因此,既能成功地覆盖极宽频带,又能通过高效的设计减少功率损耗,正是人们追求的理想系统。谐振器受到了该领域的特别关注;当波长超过谐振器本身的尺寸时,谐振器可以节省能量,有利于提高换能器的总体效率。

受此启发,就职于 Teledyne Webb Research(简称 TWR)的 Andrey K. Morozov 研究出了一种以高效见长的声音谐振器设计,它带有一个可调式谐振器。以往的研究一般采用高 Q 值谐振风琴管,工作频段为 200 ~ 300 Hz,这次的研究对象是一种在 500 ~ 1000 Hz 的倍频带下工作的新型高频声源。此外,当传输信号的瞬时频率不断变化时,新型高 Q 值谐振风琴管设计可使系统保持共振状态。由于尺寸小巧,这种设计成为了浅水实验的可靠帮手。

这套设计利用声音发射器来传送数字合成频率扫描信号。发射器和高 Q 值谐振器对风琴管进行调谐,使其频率与相位同参考信号一致。这种谐振管能够在任何深度下正常工作,不过在下水之前,Morozov 利用 COMSOL Multiphysics® 软件对谐振管设计进行了仿真分析。

预测风琴管的最优参数

如下图所示,风琴管装置由开槽的谐振管组成,谐振管在对称的 复合棒换能器的推动下进行移动。复合棒驱动器中的压电陶瓷叠堆可以移动活塞,从而改变体积。复合棒换能器将两侧对称的管连接在一起,因此谐波管相当于带体积速度声源驱动器的半波谐振器。

可调式谐振声源和 Tonpilz 驱动器的图片。
可调式谐振声源和 Tonpilz 驱动器的图片。图片由 Andrey K. Morozov 提供,摘自他在 2016 年 COMSOL 用户年会波士顿站发表的论文

我们重点观察谐振管中的槽或通气孔。为了平滑地控制谐振频率,机电执行器推动两个套筒沿谐振管进行轴向移动,套筒和管之间保持很小的间隙。轴向运动使槽被覆盖,执行器得以在很大的频率范围内对风琴管进行调谐。当套筒位置相对槽发生变化时,槽的等效声阻抗也随之变化,从而改变整个谐振器的谐振频率。

下一节,我们将了解如何借助仿真继续改进可调式风琴管的设计。

可调式谐振器的声学仿真分析

Morozov 减少了谐振器的壁厚,使其重量减轻,致使谐振器振动并存储大量的声能。为了防止主谐振器和系统的机械零件之间发生声耦合,他使用防震架将主谐振器的管子完全固定住。这个修改并没有彻底消除调谐结构中多余的谐振效应,因此 Morozov 求助于仿真实现进一步的优化。

下方左图显示了共振的声压级。此例中,主谐振管上的通气孔打开,声能得以通过空隙离开风琴管。在低频设计中,圆柱套筒上倒圆的棱边有利于防止此处发生双重谐振,但对于高频谐振器而言,它并不能完全解决问题。

为了获取更多信息,研究人员研究了不同套筒位置对应的谐振曲线,如下方右图所示,每个位置间隔 1 cm。

用于海洋声学层析术的可调式风琴管的仿真结果。
绘图展示不同套筒位置及其对应的频率响应。

左图:用于标准球形驱动器的可调式风琴管的仿真结果。右图:结果展示不同套筒位置及其对应的频率响应。图片由 Andrey K. Morozov 提供,摘自他在 2016 年 COMSOL 用户年会波士顿站发表的论文。

仿真结果表明,主管的振动和在套筒下共振的水会干扰主谐振曲线。尽管仿真结果和实验测试一致表明可以通过增加壁厚来缓解这一问题,但这会造成管道设计过于笨重。

为了解决该问题,Morozov 利用仿真轻松地测试了不同的设计配置。他发现,若能保证套筒和主管道之间的间隙只来自孔口其中一侧,就能改进可调式机构的设计。以改进后的设计为基础,他完成了另一些研究,包括研究最优频率、粒子速度和装置的声压,我们将在下一节中详述。

当套筒在不同位置上时,对比改进后的设计的声压水平和频率。
当套筒在不同位置上时,对比改进后的设计的声压水平和频率。图片由 Andrey K. Morozov 提供,摘自他在 2016 年 COMSOL 用户年会波士顿站发表的论文。

在新设计中,管首先充当了半波长谐振器,通过主孔口发射声音。在频带末端,大部分声音通过完全打开的调声孔而辐射出去,如下图所示。这两种状态之间的过渡是连续的。

仿真绘图显示 500 Hz 下槽完全闭合时的绝对声压。
仿真绘图显示 1000 Hz 下槽完全打开时的绝对声压。

在 500 Hz 的起始频率范围(左图)内,槽完全闭合;在最大共振频率 1000 Hz 处,槽完全打开(右图)。上图显示了两种情况下的绝对声压。图片由 Andrey K. Morozov 提供,摘自他在 2016 年 COMSOL 用户年会波士顿站发表的论文。

总而言之,借助仿真,Morozov 成功地绘制了高 Q 值谐振风琴管新设计在 500 ~ 1000 Hz 倍频带下的结构声学,并研究了一些重要的细节,例如打开的槽的最优分布。

对比仿真结果与物理实验

最后,我们完全按照模型尺寸,使用铝材料制作了一个风琴管实物。在水池中的初始测试结果与仿真结果相似,并达到了预期的频率范围。不过,谐振频率测试结果略低,这可能是因为风琴管呈椭圆形,且水池尺寸受限。两个因素共同导致谐振频率减小。

根据上述结果,Morozov 对实验进行了修改,他割短了风琴管,之后在美国伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)的船坞上又做了一次实验。

改造后的声源系统图片。
图片显示在伍兹霍尔海洋研究所的声源系统实验。

在伍兹霍尔海洋研究所(右图)对改造后的声源系统(左图)进行实验。图片由 Andrey K. Morozov 提供,摘自他在 2016 年 COMSOL 用户年会波士顿站发表的论文。

最新实验表明,虽然仿真能够有效地预测谐振频率,但模型的 Q 值大于实验结果。考虑到实际的损耗难以预测,这一差异在我们的预料之内。此外,模型与设计实物之间也存在一些细微差异。

设计可调式谐振系统是一项具有挑战性的工作,只有精确地调整好参数,才能获得所需的频率范围。在大量进行水中实验之前,Morozo 借助 COMSOL Multiphysics 软件设法使可调式声源设计达到了倍频程。他发现现实的声源参数与仿真相当匹配。

改进后的设计能够帮助科学家测量远程声音传播和海洋中的远距离温度,从微小的温度波动到包罗万象的海洋气候变化,一切皆可成为研究的对象。

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