CN102538944A - 基于位移反馈型振动台的次声发生装置 - Google Patents

基于位移反馈型振动台的次声发生装置 Download PDF

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Abstract

基于位移反馈型振动台的次声发生装置，包括位移反馈型振动台系统，次声发生腔和激光测振仪；振动台采用位移反馈方式，驱动活塞在密闭次声发生腔腔体内做低位移失真的正弦振动，产生标准次声声压信号；激光测振仪通过贯穿振动台的光通道射入激光束，测量振动台运动部件的位移，计算得到次声发生腔产生的标准声压值；次声发生腔活塞与腔体可采用完全密封或间隙密封两种形式；被校次声传感器和标准次声传感器安装在次声发生腔内，通过检测被校传感器输出，计算即可实现对次声传感器的“绝对校准”或“相对校准”。本发明具有所用技术成熟，可行性强，便于实现，校准精度高的优点。

Description

基于位移反馈型振动台的次声发生装置
技术领域
本发明涉及一种次声发生装置，特别是一种可产生标准次声声压信号、用于校准次声传感器的次声发生装置。
技术背景
次声波广泛存在于自然界和人类生产生活中，如火山喷发、地震、核爆炸、火箭发射、超音速飞机飞行等均会产生次声波。近年来，次声检测在环境保护、军事监察等领域越来越多地引起了人们的重视；此外，由于次声波具有传播距离远、穿透能力强、不易察觉等特点，次声波技术在军事、医学、工业生产等领域的应用也越来越广泛。
次声传感器对于次声波的检测和应用至关重要。为正确应用次声传感器，按照计量检定规程的规定，必须在出厂前或使用一段时间后，对次声传感器的灵敏度等各项性能指标进行校准。次声传感器校准系统是发展次声传感器技术的重要保证，它是通过次声发生装置产生标准次声声压信号，用“绝对法”或“相对法”对次声传感器进行校准。次声发生装置是次声传感器校准系统的重要组成部分，其产生的次声声压信号质量将直接决定对次声传感器的校准精度。目前国内外次声发生装置多由电机或振动台直接带动活塞做往复运动产生正弦次声声压，但由于非线性参数的影响，所产生的次声声压波形失真度较大，从而影响次声传感器的校准精度。
 
发明内容
为克服现有的次声发生装置存在波形失真度大的缺点，本发明提供了一种波形失真度小，保障次声传感器的校准精度的基于位移反馈型振动台的次声发生装置。
基于位移反馈型振动台的次声发生装置，包括位移反馈型振动台系统，次声发生腔和测量振动台的振动位移的激光测振仪，激光测振仪获取的振动位移计算获得次声发生腔产生的标准声压值；
位移反馈型振动台系统包括信号发生器、功率放大器、振动台和位移反馈组件；位移反馈组件包括测量振动台的运动部件的位移波形的位移传感器、比较位移波形与信号发生器产生的标准信号的偏差的比较器和对偏差信号进行计算处理的控制器，位移传感器与比较器之间还设有调理位移波形的信号调理电路；位移传感器获取的位移波形经信号调理电路处理后，经比较器与信号发生器产生的标准信号相减得到偏差信号，偏差信号经控制器计算处理后，输入功率放大器，驱动振动台进行纠偏运动，从而实现振动台输出位移精确跟踪低失真的信号源波形，降低了振动台输出位移波形的失真度，进而降低次声发生装置输出声压信号的失真度。
振动台设有允许激光测振仪的测量光通过的光通道和将测量光反射回激光测振仪的反射体，测量光从振动台的尾部入射，反射体固定在振动台的运动部件背面；
次声发生腔为密闭腔体，次声发生腔内设有与腔体适配的活塞，活塞与振动台的运动部件的正面固定连接，被校准次声传感器安装在次声发生腔的腔体内。
次声发生装置的基本原理是在尺寸远小于媒质中声波波长的密闭腔中(尺寸最大是波长的1/20)，通过活塞的运动，在密闭腔中激励出压力波，根据绝热气体定律，次声发生腔产生声场声压可表示为：
Figure 2012100071489100002DEST_PATH_IMAGE002
                    公式1
式中：p为声压；γ为空气比热比；p 0 为静压；d为活塞的直径；x为活塞运动的位移；V 0 为活塞平衡位置时的密闭腔的体积。通过激光测振仪测得活塞位移x后，代入上式可得密闭腔中的标准声压值，进而实现绝对法校准次声传声器。本装置中，由于位移反馈型振动台可输出失真度较低的振动位移，根据以上公式得知，可在次声发生腔中产生失真度较低的声压信号。
进一步，以公式1得到的标准声压值作为被校准次声传感器的校准基准；或者所述的次声发生腔内还设有标准次声传感器，标准次声传感器的输出作为被校准次声传感器的校准基准。
进一步，所述的次声发生腔包括腔体、与腔体适配的活塞、活塞端密封装置、传感器安装密封盖和托持腔体的支座。
进一步，所述的传感器安装密封盖上开设有容纳被校准次声传感器的容纳孔，容纳孔与被校准次声传感器之间设有传感器密封套筒。若腔体内还设有标准次声传感器，所述的传感器安装密封盖上还开设有容纳标准次声传感器的容纳孔，容纳孔与标准次声传感器之间设有传感器密封套筒。
进一步，活塞端密封装置包括一体化密封膜和将一体化密封膜固定在次声发生腔上的环形密封件，环形密封件包括通过螺钉固定在次声发生腔上的固定件和将一体化密封膜压紧于固定件上的环形压板；一体化密封膜包括与环形密封件固接的外圈、与活塞固接的内圈和连接外圈和内圈的橡胶膜，固定件设有与外圈适配的第一安装槽，活塞上设有与内圈适配的第二安装槽。采用一体化密封膜密封活塞和腔体，构成完全密封方式。
或者，活塞端密封装置不设一体化密封膜，仅有紧密地安装在腔体上的活塞套，仅靠活塞与活塞套之间的配合间隙实现密封，构成间隙密封方式。
进一步，所述的次声发生装置还包括安装激光测振仪的激光测振仪底座，安装振动台的振动台底座，安装次声发生腔的腔体安装底板，和放置测量仪器及其他工具的工作台面，腔体安装底板和工作台面均安装在气腔底座上；激光测振仪通过其底部可调支脚放置在激光测振仪底座上，激光测振仪底座通过减震器放置在地基上，振动台底座和气腔底座通过可调垫铁安装于地基上。测量仪器和其他工具是指在测量过程中需要使用的测量工具或辅助用具。
本发明的技术构思是：采用带有位移反馈组件的振动台驱动活塞在密闭次声发生腔腔体内做低位移失真的正弦振动，进而改变腔体气压，产生标准低失真的次声声压信号；激光测振仪通过振动台的光通道射入测量光来测量运动部件的位移大小，从而得到标准声压值；次声发生腔中的活塞与腔体采用完全密封或间隙密封两种形式。
本发明采用较成熟的振动台技术产生次声频率振动，并引入位移反馈控制技术，降低产生次声声压信号的失真度。本发明具有所用技术成熟，可行性强，便于实现，校准精度高等优点。
附图说明
图1为基于位移反馈型振动台的次声发生装置结构图。
图2为位移反馈型振动台系统原理图。
图3为实施例一中振动台与次声发生腔体连接结构图。
图4为实施例一中次声发生腔采用的一体化密封膜结构图。
图5为实施例二中活塞与次声发生腔体连接结构图。
具体实施方式
实施例一
参照图1-4
基于位移反馈型振动台的次声发生装置，包括位移反馈型振动台系统，次声发生腔3和测量振动台2的振动位移的激光测振仪1，激光测振仪1获取的振动位移计算获得次声发生腔3产生的标准声压值。
位移反馈型振动台系统包括信号发生器、功率放大器和振动台2和位移反馈组件；位移反馈组件包括测量振动台2的运动部件22的位移波形的位移传感器12、比较位移波形与信号发生器产生的标准信号的偏差的比较器和对偏差信号进行计算处理的控制器，位移传感器与比较器之间设有调理位移波形的信号调理电路；
位移传感器获取的位移波形经信号调理电路处理后，经比较器与信号发生器产生的标准信号相减得到偏差信号，偏差信号经控制器计算处理后，输入功率放大器，驱动振动台进行纠偏运动，从而实现振动台输出位移精确跟踪低失真的信号源波形，降低了振动台输出位移波形的失真度，进而降低次声发生装置输出声压信号的失真度。
振动台2设有允许激光测振仪1输出的测量光15通过的光通道16和将测量光15反射回激光测振仪1的反射体13，测量光15从振动台2的尾部入射，反射体13固定在振动台2的运动部件22的背面。
次声发生腔3为密闭腔体，次声发生腔3内设有与腔体适配的活塞31，活塞31与振动台2的运动部件22的正面固定连接，被校准次声传感器4安装在次声发生腔3的腔体35内。
次声发生装置的基本原理是在尺寸远小于媒质中声波波长的密闭腔中(尺寸最大是波长的1/20)，通过活塞的运动，在密闭腔中激励出压力波，根据绝热气体定律，次声发生腔产生声场声压可表示为：
Figure 534756DEST_PATH_IMAGE002
                                 公式1
式中：p为声压；γ为空气比热比；p 0 为静压；d为活塞的直径；x为活塞运动的位移；V 0 为活塞平衡位置时的密闭腔的体积。通过激光测振仪测得活塞位移x后，代入上式可得密闭腔中的标准声压值，进而实现绝对法校准次声传声器。本装置中，由于位移反馈型振动台可输出失真度较低的振动位移，根据以上公式得知，可在次声发生腔中产生失真度较低的声压信号。
以公式1得到的标准声压值作为被校准次声传感器4的校准基准，仅被校准次声传感器4安装在次声发生腔3的腔体35内时，通过检测被校传感器4输出电压，并结合标准声压值即可实现对次声传感器的绝对校准。
当标准次声传感器和被校准次声传感器同时安装在次声发生腔3腔体35内时，将标准次声传感器输出的电压作为被校准次声传感器的校准基准，通过同时检测标准次声传感器和被校准次声传感器的输出电压，并通过计算即可实现对次声传感器的相对校准。
所述的振动台2为电磁振动台，振动台2包括励磁部件21、运动部件22和导向部件23；励磁部件21为由永磁体或电磁铁构成的磁路结构，可在工作气隙24内产生恒定磁场，当工作气隙24内的运动部件22的电枢线圈25中通过正弦电流时，由电磁感应产生的安培力驱动运动部件进行正弦运动，所述的导向部件23可对运动部件22进行支撑和导向，限制其轴向运动以外的横向运动，本实施例中采用气浮轴承作为振动台运动部件的导向部件。
所述的位移传感器12为光栅尺，光栅尺的读数头固定在电磁振动台的导向部件23上，光栅尺标尺安装在振动台2的运动部件22上。
振动台2尾部设有允许激光测振仪的测量光入射的小孔，振动台2内部还设有贯通振动台的励磁部件21和运动部件22且允许测量光通过的通孔，振动台2尾部的小孔、贯通励磁部件21和运动部件的通孔形成所述的允许测量光15通过的光通道16。固定在振动台2的运动部件22背面上的反射体13为反射镜或者反射膜，反射体13反射的测量光15经光通道16反射回激光测振仪1，以检测振动台2的运动部件22的位移。
所述的次声发生腔3包括腔体35、与腔体35适配的活塞31、活塞端密封装置32、传感器安装密封盖33和托持腔体的支座34和36。活塞31与振动台的运动部件22的正面相连，振动台的运动部件22驱动活塞31在腔体35内运动；活塞31、活塞端密封装置32、传感器安装密封盖33和腔体35构成密封腔体。
所述的传感器安装密封盖33上开设有容纳被校准次声传感器4的容纳孔，容纳孔与被校准次声传感器4之间设有传感器密封套筒41。被校准次声传感器4插入传感器密封套筒41中，传感器密封套筒41插入容纳孔中。若腔体内还设有标准次声传感器，所述的传感器安装密封盖上还开设有容纳标准次声传感器的容纳孔，容纳孔与标准次声传感器之间设有传感器密封套筒。
活塞端密封装置32包括一体化密封膜14和将一体化密封膜14固定在次声发生腔3上的环形密封件，环形密封件包括通过螺钉固定在次声发生腔上的固定件321和将一体化密封膜压紧于固定件上的环形压板322；一体化密封膜14包括与环形密封件固接的外圈141、与活塞31固接的内圈142和连接外圈141和内圈142的橡胶膜143，固定件设有与外圈141适配的第一安装槽，活塞32上设有与内圈142适配的第二安装槽。采用一体化密封膜14密封活塞31和腔体35，构成完全密封方式。
所述的次声发生装置还包括安装激光测振仪1的激光测振仪底座11，安装振动台2的振动台底座9，安装次声发生腔3的腔体安装底板8和放置测量仪器及其他工具的工作台面6；腔体安装底板8和工作台面6均安装在气腔底座7上；激光测振仪通过其底部可调支脚18放置在激光测振仪底座11上，激光测振仪底座11通过减震器17放置在地基10上、振动台底座9和气腔底座7通过可调垫铁5安装于地基10上。通过可调垫铁5来调整振动台底座9和腔体安装底板8的水平度和高度，通过激光测振仪底部可调支脚18可调整测量光15的水平度和高低，最终保持激光测振仪1输出测量光15、振动台2运动部件22和次声发生腔3同轴。
本发明的技术构思是：采用带有位移反馈组件的振动台2驱动活塞31在密闭次声发生腔体35内做低位移失真的正弦振动，进而改变腔体气压，产生标准低失真的次声声压信号；激光测振仪1通过振动台2的光通道16射入测量光15来测量运动部件22的位移大小，从而得到标准声压值。
本发明采用较成熟的振动台技术产生次声频率振动，并引入位移反馈控制技术，降低了产生的次声声压信号的失真度。本发明具有所用技术成熟，可行性强，便于实现，校准精度高等优点。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于：在次声发生腔腔体35的活塞安装端设有与腔体35紧密配合的活塞套37，而仅靠活塞套37和活塞31的配合间隙实现密封，其余结构都相同。
所述的活塞密封装置仅包含与次声发生腔腔体35紧密配合的活塞套37，靠活塞套37与活塞31的配合间隙实现密封，而不采用一体化密封膜，构成间隙密封方式。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.基于位移反馈型振动台的次声发生装置，其特征在于：包括位移反馈型振动台系统，次声发生腔和测量振动台的振动位移的激光测振仪，激光测振仪获取的振动位移计算获得次声发生腔产生的标准声压值                                               
Figure 2012100071489100001DEST_PATH_IMAGE002
，p为声压，γ为空气比热比，p 0 为静压，d为活塞的直径，x为活塞运动的位移，V 0 为活塞平衡位置时的密闭腔的体积；
位移反馈型振动台系统包括信号发生器、功率放大器和振动台和位移反馈组件；位移反馈组件包括测量振动台的运动部件的位移波形的位移传感器、比较位移波形与信号发生器产生的标准信号的偏差的比较器和对偏差信号进行计算处理的控制器，位移传感器与比较器之间设有调理位移波形的信号调理电路；振动台的运动部件受控于控制器，控制器与振动台之间设有放大控制器输出的控制信号的功率放大器；
振动台设有允许激光测振仪的测量光通过的光通道和将测量光反射回激光测振仪的反射体，测量光从振动台的尾部入射，反射体固定在振动台的运动部件背面；
次声发生腔为密闭腔体，次声发生腔内设有与腔体适配的活塞，活塞与振动台的运动部件的正面固定连接，被校准次声传感器安装在次声发生腔的腔体内。
2.如权利要求1所述的基于位移反馈型振动台的次声发生装置，其特征在于：激光测振仪获取振动位移计算得到的标准声压值作为被校准次声传感器的校准基准；或者所述的次声发生腔内还设有标准次声传感器，标准次声传感器的输出作为被校准次声传感器的校准基准。
3.如权利要求1所述的基于位移反馈型振动台的次声发生装置，其特征在于：所述的次声发生腔包括腔体、与腔体适配的活塞、活塞端密封装置、传感器安装密封盖和托持腔体的支座。
4.如权利要求3所述的基于位移反馈型振动台的次声发生装置，其特征在于：所述的传感器安装密封盖上开设有容纳被校准次声传感器的第一容纳孔，第一容纳孔与被校准次声传感器之间设有第一传感器密封套筒。
5.如权利要求4所述的基于位移反馈型振动台的次声发生装置，其特征在于：当腔体内还设有标准次声传感器时，传感器安装密封盖上还开设有容纳标准次声传感器的第二容纳孔，第二容纳孔与标准次声传感器之间设有第二传感器密封套筒。
6.如权利要求3所述的基于位移反馈型振动台的次声发生装置，其特征在于：活塞端密封装置包括一体化密封膜和将一体化密封膜固定在次声发生腔上的环形密封件，环形密封件包括通过螺钉固定在次声发生腔上的固定件和将一体化密封膜压紧于固定件上的环形压板；一体化密封膜包括与环形密封件固接的外圈、与活塞固接的内圈和连接外圈和内圈的橡胶膜，固定件设有与外圈适配的第一安装槽，活塞上设有与内圈适配的第二安装槽。
7.如权利要求3所述的基于位移反馈型振动台的次声发生装置，其特征在于：活塞端密封装置仅包括紧密地安装在腔体上的活塞套，活塞与活塞套仅靠配合间隙实现密封。
8.如权利要求1-7之一所述的基于位移反馈型振动台的次声发生装置，其特征在于：所述的次声发生装置还包括安装激光测振仪的激光测振仪底座，安装振动台的振动台底座，安装次声发生腔的腔体安装底板，和放置测量仪器及其他工具的工作台面，腔体安装底板和工作台面均安装在气腔底座上；激光测振仪底部设有可调支脚，激光测振仪和可调支脚放置激光测振仪底座上，激光测振仪底座通过减震器放置在地基上，振动台底座和气腔底座通过可调垫铁安装于地基上。
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