技术交流▏海洋垂直缆系统水听器对比测试与分析
水听器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。水听器是地震垂直缆的核心，直接决定了垂直缆的灵敏度、频率特性等指标。水听器类型可分为压电陶瓷水听器和光学水听器，由于光学水听器采用光纤采集和传送地震信号，能够减小外部电磁干扰，因此光学水听器被看作未来水听器的发展方向。光学水听器技术尚不成熟，压电陶瓷水听器仍是应用最广泛的一种水听器。
压电水听器国内外均有生产，国外有美国的BENTHOS公司、丹麦的RESON公司和法国的SERCEL公司等，国内有中国科学院声学研究所和中船重工715研究所等，本文将对比测试分析SH测试型水听器和法国Sercel MicrOBS所搭载的HTI水听器（型号HTI-94-SSQ）。
一、测试说明
测试设备主要包括桌面直流电源、信号发生器、动态信号分析仪、示波器、音响，表1罗列了参与测试的设备型号及主要技术参数。
表1 设备测试所需设备列表
二、测试前工作
为了确认测试设备技术参数，进行了测试前准备工作，主要包括水听器功能验证及动态信号分析仪本底噪声测量。
⒈水听器功能测试
图1 水听器功能测试设备连接示意图
将3支水听器并列悬挂于音响前，信号发生器输出设置为100Hz正弦100mVpp，信号发生器输出驱动音响，直流电源为三支水听器供电，示波器同步观测三支水听器电压输出。示波器设置为AC耦合，1MΩ输入阻抗。示波器所记录的水听器电压输出信号截图见图2，显示三支水听器均输出100Hz振动信号，幅度约1Vpp，水听器工作正常。
三支水听器平行悬挂于音响前，观测水听器电压输出信号，从上至下依次为SH12、SH13、HTI，幅度约为1Vpp，幅值及相位存在差异可能与水听器的空间位置差异有关。
图2 水听器功能测试结果
⒉动态信号分析仪本底噪声测定
将动态信号分析仪通道输入对地短接，设置为FFT模式，800line，输入单端接地、频段分为4段(12.5Hz、200Hz、1600Hz、102.4kHz)。测得本底噪声结果见图3，SR785本底噪声水平约为8nV/rt(Hz)@100Hz，在低频处显示存在1/f噪声，转角频率约为100Hz。
图3 动态信号分析仪本底噪声测量结果
三、测试内容
⒈频响测试
带宽测试设备连接图见图4所示，将SH12与HTI参考水听器并列悬挂于音响前，音响输入由动态信号分析仪驱动，水听器输出至动态信号信号分析仪输入端。同时示波器监测水听器输出信号。频响测试分为两步，先是借助高频音响(H5)，观测频带为50Hz～50KHz，再借助低频音响(H10SUB)，观测频带为10Hz～1KHz，重复扫频多次。
图4 水听器频响测试设备连接示意图
测试结果：图5、图6分别给出了高频、低频的频响测试结果。图中可以看出，在10Hz～50KHz频段范围，幅频响应并不平坦，但是多次测量结果的重复性较好，证明测试结果是可信的，频带的不平坦可能取决于音响自身的频响及水听器与声源的几何位置关系。对比还可以发现HTI相比SH12的频响较平坦。
图5 频响测试结果（高频段：50Hz～50kHz）
图6 频响测试结果（低频段：10Hz～1kHz）
⒉本底噪声水平测试
本底噪声水平测试是指水听器本身在绝对“安静”的条件下噪声输出，限于测试条件，难以提供绝对安静的测试条件。测试设备连续示意图见图7，本次测试将三支水听器置于水盆中，水盆置于隔音箱中，同时将SH12、SH13的屏蔽线与水接触，用示波器及动态信号分析仪测量水听器电压输出，该电压输出为水听器本底噪声与外界噪声叠加结果。
图7 水听器功能测试设备连接示意图
测试结果见图8，SH12、SH13的电压输出幅值接近，图8显示10ms持续时间中，分别为14.4mVpp、15.0mVpp，HTI水听器电压输出为6.3mVpp。图9显示持续时间为200ms时，SH12、SH13的电压输出幅值分别为20.0mVpp、18.1mVpp，HTI水听器电压输出幅值为12.5mVpp。
示波器三通道观测水听器电压输出信号，从上至下依次为SH12、SH13、HTI，持续时间10ms。
图8 噪声水平测试结果
示波器三通道观测水听器电压输出信号，从上至下依次为SH12、SH13、HTI，持续时间200ms。
图9 噪声水平测试结果
以上测试结果表明，SH12与SH13的对噪声输出一致性较好，自噪声与外界噪声叠加结果约为HTI水听器输出结果的2倍。
图10 噪声PSD测试结果
借助动态信号分析仪对水听器进行噪声PSD测量，测试结果见图10，SH12与SH13在2000Hz以上频率PSD测量结果一致性较好，约为10uV/rt(Hz)@1000Hz，HTI约为4uV/rt(Hz)@1000Hz。
HTI水听器的灵敏度为-165dBV re:1V/uPa，折算电压转换系数为15dB nV/uPa=5.6nV/uPa。噪声PSD输出4uV/rt(Hz)@1000Hz，可折算为-108dBVre:1uPa/rt(Hz)@1000Hz，等效于57dB re:1uPa/rt(Hz)@1000Hz。该结果与HTI水听器声称的本底噪声水平38dB re: 1uPa/rt(Hz)@1000Hz，相差20dB，可认为由于外界噪声未完全隔离所导致。
国产水听器噪声电压输出结果10uV/rt(Hz)@10000Hz，约为HTI水听器噪声电压输出结果4uV/rt(Hz)@10000Hz的2.5倍，HTI水听器的灵敏度为-165dBV re:1V/uPa，可知国产水听器的灵敏度约为-157dBV re:1V/uPa。
从噪声测量结果还可以得知，高频段噪声PSD测量表明国产水听器带宽的上限与HTI类似。
综合噪声时域波形与PSD测试结果表明，SH12与SH13的对噪声输出一致性较好，自噪声与外界噪声叠加结果约为HTI水听器输出结果的2倍。
⒊其它测试
⑴功耗测试
图11 功耗测试设备连接示意图
将三支水听器分别由桌面直流电源供电，记录电流输出。功耗测试结果表如下：
表2 功耗测试结果
⑵满刻度测试
如图12所示，将三支水听器接入示波器，示波器设置为DC耦合，振动水听器，使得水听器输出溢出，得到水听器满刻度输出值。
从上至下依次为SH12、SH13、HTI，满刻度分别为9.80Vpp、9.70Vpp、4.69Vpp
图12 水听器满刻度输出测试结果
四、结论
综上，为测试水听器技术指标，重点进行了频率响应、灵敏度、本底噪声水平、功耗、满刻度等一系列测试，测试结果见表3。从表3给出的结果，可知SH水听器的灵敏度为HTI的二倍，导致噪声电压输出也是HTI的二倍，并且满刻度电压输出也是HTI的二倍，那么二者的满刻度应该是接近的；噪声水平中夹杂了外部噪声，水听自身噪声未能给出，因此动态范围也难以计算；带宽方面，二者没有明显差异，均优于10Hz～10kHz；功耗方面，HTI确实还存在一定的优势。
表3 水听器测试指标对比表
【作者简介】文/陈晨 黄建宇 伍忠良，来自国土资源部海底矿产资源重点实验室和广州海洋地质调查局；第一作者陈晨，广州海洋地质调查局，助理工程师；本文来自《电子技术》（2018年3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。
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