什么是海洋聲學(xué)層析技術(shù)?如何借助仿真繼續(xù)改進(jìn)可調(diào)式風(fēng)琴管的設(shè)計(jì)

海洋聲學(xué)層析系統(tǒng)通過在兩個(gè)儀器之間傳播音頻信號來測量溫度。這類系統(tǒng)一般需要利用低頻信號來覆蓋寬頻帶，并要求使用大功率聲源。可調(diào)式風(fēng)琴管能夠平衡效率與功能，是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的可靠選擇之一。Teledyne Marine Systems 集團(tuán)下設(shè)的 Advanced Technology Group 的研究人員使用仿真改進(jìn)可調(diào)式風(fēng)琴管設(shè)計(jì)，并對仿真與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行了比較。

什么是海洋聲學(xué)層析技術(shù)

全世界的海洋非常廣闊，這種說法絕對低估了海洋的真正規(guī)模。海洋大約覆蓋了地球表面的 71%，馬里亞納海溝中的挑戰(zhàn)者深淵（Challenger Deep）是目前已知的海洋最深處，深達(dá) 36000 英尺（約 11 公里）。要研究神秘而廣闊的海洋環(huán)境，研究人員需要可遨游于深海的強(qiáng)大工具。

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.挑戰(zhàn)者深淵的深度與珠穆拉瑪峰的高度對比。圖片由 Nomi887 拍攝，已獲CC BY-SA 3.0授權(quán)，通過 Wikimedia Commons共享。

海洋聲學(xué)層析是一種涉及深水和低頻聲源的技術(shù)，可用來測量海洋深度。該系統(tǒng)測量的是聲音信號在聲源和接收器之間傳播的時(shí)間。因?yàn)槁曇粼谂袀鞑サ母?，所以人們可以根?jù)測量時(shí)間推算出聲源和接收器之間的平均水溫。

獲得測量結(jié)果的前提是，遠(yuǎn)程海洋聲學(xué)層析術(shù)能夠用低頻信號覆蓋寬頻帶，這通常要求使用大功率的聲源。因此，既能成功地覆蓋極寬頻帶，又能通過高效的設(shè)計(jì)減少功率損耗，正是人們追求的理想系統(tǒng)。諧振器受到了該領(lǐng)域的特別關(guān)注；當(dāng)波長超過諧振器本身的尺寸時(shí)，諧振器可以節(jié)省能量，有利于提高換能器的總體效率。

受此啟發(fā)，就職于 Teledyne Webb Research（簡稱 TWR）的 Andrey K. Morozov 研究出了一種以高效見長的聲音諧振器設(shè)計(jì)，它帶有一個(gè)可調(diào)式諧振器。以往的研究一般采用高 Q 值諧振風(fēng)琴管，工作頻段為 200 ~ 300 Hz，這次的研究對象是一種在 500 ~ 1000 Hz 的倍頻帶下工作的新型高頻聲源。此外，當(dāng)傳輸信號的瞬時(shí)頻率不斷變化時(shí)，新型高 Q 值諧振風(fēng)琴管設(shè)計(jì)可使系統(tǒng)保持共振狀態(tài)。由于尺寸小巧，這種設(shè)計(jì)成為了淺水實(shí)驗(yàn)的可靠幫手。

這套設(shè)計(jì)利用聲音發(fā)射器來傳送數(shù)字合成頻率掃描信號。發(fā)射器和高 Q 值諧振器對風(fēng)琴管進(jìn)行調(diào)諧，使其頻率與相位同參考信號一致。這種諧振管能夠在任何深度下正常工作，不過在下水之前，Morozov 利用 COMSOL Multiphysics? 軟件對諧振管設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真分析。

預(yù)測風(fēng)琴管的最優(yōu)參數(shù)

如下圖所示，風(fēng)琴管裝置由開槽的諧振管組成，諧振管在對稱的 復(fù)合棒換能器的推動下進(jìn)行移動。復(fù)合棒驅(qū)動器中的壓電陶瓷疊堆可以移動活塞，從而改變體積。復(fù)合棒換能器將兩側(cè)對稱的管連接在一起，因此諧波管相當(dāng)于帶體積速度聲源驅(qū)動器的半波諧振器。

可調(diào)式諧振聲源和 Tonpilz 驅(qū)動器的圖片。圖片由 Andrey K. Morozov 提供，摘自他在 2016 年 COMSOL 用戶年會波士頓站發(fā)表的論文。

我們重點(diǎn)觀察諧振管中的槽或通氣孔。為了平滑地控制諧振頻率，機(jī)電執(zhí)行器推動兩個(gè)套筒沿諧振管進(jìn)行軸向移動，套筒和管之間保持很小的間隙。軸向運(yùn)動使槽被覆蓋，執(zhí)行器得以在很大的頻率范圍內(nèi)對風(fēng)琴管進(jìn)行調(diào)諧。當(dāng)套筒位置相對槽發(fā)生變化時(shí)，槽的等效聲阻抗也隨之變化，從而改變整個(gè)諧振器的諧振頻率。

下一節(jié)，我們將了解如何借助仿真繼續(xù)改進(jìn)可調(diào)式風(fēng)琴管的設(shè)計(jì)。

可調(diào)式諧振器的聲學(xué)仿真分析

Morozov 減少了諧振器的壁厚，使其重量減輕，致使諧振器振動并存儲大量的聲能。為了防止主諧振器和系統(tǒng)的機(jī)械零件之間發(fā)生聲耦合，他使用防震架將主諧振器的管子完全固定住。這個(gè)修改并沒有徹底消除調(diào)諧結(jié)構(gòu)中多余的諧振效應(yīng)，因此 Morozov 求助于仿真實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化。

下方左圖顯示了共振的聲壓級。此例中，主諧振管上的通氣孔打開，聲能得以通過空隙離開風(fēng)琴管。在低頻設(shè)計(jì)中，圓柱套筒上倒圓的棱邊有利于防止此處發(fā)生雙重諧振，但對于高頻諧振器而言，它并不能完全解決問題。

為了獲取更多信息，研究人員研究了不同套筒位置對應(yīng)的諧振曲線，如下方右圖所示，每個(gè)位置間隔 1 cm。

上圖：用于標(biāo)準(zhǔn)球形驅(qū)動器的可調(diào)式風(fēng)琴管的仿真結(jié)果。下圖：結(jié)果展示不同套筒位置及其對應(yīng)的頻率響應(yīng)。圖片由 Andrey K. Morozov 提供，摘自他在 2016 年 COMSOL 用戶年會波士頓站發(fā)表的論文。

仿真結(jié)果表明，主管的振動和在套筒下共振的水會干擾主諧振曲線。盡管仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測試一致表明可以通過增加壁厚來緩解這一問題，但這會造成管道設(shè)計(jì)過于笨重。

為了解決該問題，Morozov 利用仿真輕松地測試了不同的設(shè)計(jì)配置。他發(fā)現(xiàn)，若能保證套筒和主管道之間的間隙只來自孔口其中一側(cè)，就能改進(jìn)可調(diào)式機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。以改進(jìn)后的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，他完成了另一些研究，包括研究最優(yōu)頻率、粒子速度和裝置的聲壓，我們將在下一節(jié)中詳述。

當(dāng)套筒在不同位置上時(shí)，對比改進(jìn)后的設(shè)計(jì)的聲壓水平和頻率。圖片由 Andrey K. Morozov 提供，摘自他在 2016 年 COMSOL 用戶年會波士頓站發(fā)表的論文。

在新設(shè)計(jì)中，管首先充當(dāng)了半波長諧振器，通過主孔口發(fā)射聲音。在頻帶末端，大部分聲音通過完全打開的調(diào)聲孔而輻射出去，如下圖所示。這兩種狀態(tài)之間的過渡是連續(xù)的。

在 500 Hz 的起始頻率范圍（左圖）內(nèi)，槽完全閉合；在最大共振頻率 1000 Hz 處，槽完全打開（右圖）。上圖顯示了兩種情況下的絕對聲壓。圖片由 Andrey K. Morozov 提供，摘自他在 2016 年 COMSOL 用戶年會波士頓站發(fā)表的論文。

總而言之，借助仿真，Morozov 成功地繪制了高 Q 值諧振風(fēng)琴管新設(shè)計(jì)在 500 ~ 1000 Hz 倍頻帶下的結(jié)構(gòu)聲學(xué)，并研究了一些重要的細(xì)節(jié)，例如打開的槽的最優(yōu)分布。

對比仿真結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)

最后，我們完全按照模型尺寸，使用鋁材料制作了一個(gè)風(fēng)琴管實(shí)物。在水池中的初始測試結(jié)果與仿真結(jié)果相似，并達(dá)到了預(yù)期的頻率范圍。不過，諧振頻率測試結(jié)果略低，這可能是因?yàn)轱L(fēng)琴管呈橢圓形，且水池尺寸受限。兩個(gè)因素共同導(dǎo)致諧振頻率減小。

根據(jù)上述結(jié)果，Morozov 對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了修改，他割短了風(fēng)琴管，之后在美國伍茲霍爾海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）的船塢上又做了一次實(shí)驗(yàn)。

在伍茲霍爾海洋研究所（下圖）對改造后的聲源系統(tǒng)（上圖）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖片由 Andrey K. Morozov 提供，摘自他在 2016 年 COMSOL 用戶年會波士頓站發(fā)表的論文。

最新實(shí)驗(yàn)表明，雖然仿真能夠有效地預(yù)測諧振頻率，但模型的 Q 值大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？紤]到實(shí)際的損耗難以預(yù)測，這一差異在我們的預(yù)料之內(nèi)。此外，模型與設(shè)計(jì)實(shí)物之間也存在一些細(xì)微差異。

設(shè)計(jì)可調(diào)式諧振系統(tǒng)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，只有精確地調(diào)整好參數(shù)，才能獲得所需的頻率范圍。在大量進(jìn)行水中實(shí)驗(yàn)之前，Morozo 借助 COMSOL Multiphysics 軟件設(shè)法使可調(diào)式聲源設(shè)計(jì)達(dá)到了倍頻程。他發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的聲源參數(shù)與仿真相當(dāng)匹配。

改進(jìn)后的設(shè)計(jì)能夠幫助科學(xué)家測量遠(yuǎn)程聲音傳播和海洋中的遠(yuǎn)距離溫度，從微小的溫度波動到包羅萬象的海洋氣候變化，一切皆可成為研究的對象。