海洋聲學層析系統通過在兩個儀器之間傳播音頻信號來測量溫度。這類系統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?？烧{式風琴管能夠平衡效率與功能，是實現上述目標的可靠選擇之一。Teledyne Marine Systems 集團下設的 Advanced Technology Group 的研究人員使用仿真改進可調式風琴管設計，并對仿真與實驗測試結果進行了比較。

什么是海洋聲學層析技術

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模。海洋大約覆蓋了地球表面的 71%，馬里亞納海溝中的挑戰者深淵（Challenger Deep）是目前已知的海洋最深處，深達 36000 英尺（約 11 公里）。要研究神秘而廣闊的海洋環境，研究人員需要可遨游于深海的強大工具。

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，通過 Wikimedia Commons共享。

海洋聲學層析是一種涉及深水和低頻聲源的技術，可用來測量海洋深度。該系統測量的是聲音信號在聲源和接收器之間傳播的時間。因為聲音在暖水中傳播的更快，所以人們可以根據測量時間推算出聲源和接收器之間的平均水溫。

獲得測量結果的前提是，遠程海洋聲學層析術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，又能通過高效的設計減少功率損耗，正是人們追求的理想系統。諧振器受到了該領域的特別關注；當波長超過諧振器本身的尺寸時，諧振器可以節省能量，有利于提高換能器的總體效率。

受此啟發，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計，它帶有一個可調式諧振器。以往的研究一般采用高 Q 值諧振風琴管，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，當傳輸信號的瞬時頻率不斷變化時，新型高 Q 值諧振風琴管設計可使系統保持共振狀態。由于尺寸小巧，這種設計成為了淺水實驗的可靠幫手。

這套設計利用聲音發射器來傳送數字合成頻率掃描信號。發射器和高 Q 值諧振器對風琴管進行調諧，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? 軟件對諧振管設計進行了仿真分析。

預測風琴管的最優參數

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

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

我們重點觀察諧振管中的槽或通氣孔。為了平滑地控制諧振頻率，機電執行器推動兩個套筒沿諧振管進行軸向移動，套筒和管之間保持很小的間隙。軸向運動使槽被覆蓋，執行器得以在很大的頻率范圍內對風琴管進行調諧。當套筒位置相對槽發生變化時，槽的等效聲阻抗也隨之變化，從而改變整個諧振器的諧振頻率。

下一節，我們將了解如何借助仿真繼續改進可調式風琴管的設計。

可調式諧振器的聲學仿真分析

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的機械零件之間發生聲耦合，他使用防震架將主諧振器的管子完全固定住。這個修改并沒有徹底消除調諧結構中多余的諧振效應，因此 Morozov 求助于仿真實現進一步的優化。

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琴管。在低頻設計中，圓柱套筒上倒圓的棱邊有利于防止此處發生雙重諧振，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的諧振曲線，如下方右圖所示，每個位置間隔 1 cm。

上圖：用于標準球形驅動器的可調式風琴管的仿真結果。下圖：結果展示不同套筒位置及其對應的頻率響應。圖片由 Andrey K. Morozov 提供，摘自他在 2016 年 COMSOL 用戶年會波士頓站發表的論文。

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

為了解決該問題，Morozov 利用仿真輕松地測試了不同的設計配置。他發現，若能保證套筒和主管道之間的間隙只來自孔口其中一側，就能改進可調式機構的設計。以改進后的設計為基礎，他完成了另一些研究，包括研究最優頻率、粒子速度和裝置的聲壓，我們將在下一節中詳述。

當套筒在不同位置上時，對比改進后的設計的聲壓水平和頻率。圖片由 Andrey K. Morozov 提供，摘自他在 2016 年 COMSOL 用戶年會波士頓站發表的論文。

在新設計中，管首先充當了半波長諧振器，通過主孔口發射聲音。在頻帶末端，大部分聲音通過完全打開的調聲孔而輻射出去，如下圖所示。這兩種狀態之間的過渡是連續的。

在 500 Hz 的起始頻率范圍（左圖）內，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 值諧振風琴管新設計在 500 ~ 1000 Hz 倍頻帶下的結構聲學，并研究了一些重要的細節，例如打開的槽的最優分布。

對比仿真結果與物理實驗

最后，我們完全按照模型尺寸，使用鋁材料制作了一個風琴管實物。在水池中的初始測試結果與仿真結果相似，并達到了預期的頻率范圍。不過，諧振頻率測試結果略低，這可能是因為風琴管呈橢圓形，且水池尺寸受限。兩個因素共同導致諧振頻率減小。

根據上述結果，Morozov 對實驗進行了修改，他割短了風琴管，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驗。

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

最新實驗表明，雖然仿真能夠有效地預測諧振頻率，但模型的 Q 值大于實驗結果。考慮到實際的損耗難以預測，這一差異在我們的預料之內。此外，模型與設計實物之間也存在一些細微差異。

設計可調式諧振系統是一項具有挑戰性的工作，只有精確地調整好參數，才能獲得所需的頻率范圍。在大量進行水中實驗之前，Morozo 借助 COMSOL Multiphysics 軟件設法使可調式聲源設計達到了倍頻程。他發現現實的聲源參數與仿真相當匹配。

改進后的設計能夠幫助科學家測量遠程聲音傳播和海洋中的遠距離溫度，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。