CN103105225A - 矢量水听器声压振速相位差测量装置及方法 - Google Patents

矢量水听器声压振速相位差测量装置及方法 Download PDF

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CN103105225A CN2013100452324A CN201310045232A CN103105225A CN 103105225 A CN103105225 A CN 103105225A CN 2013100452324 A CN2013100452324 A CN 2013100452324A CN 201310045232 A CN201310045232 A CN 201310045232A CN 103105225 A CN103105225 A CN 103105225A
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Abstract

本发明提供一种矢量水听器声压振速相位差测量装置及方法。矢量水听器声压振速相位差测量装置包括振动台、振动台控制器、信号发生器、数据采集系统、支撑装置、水筒和加速度传感器；信号发生器通过振动台控制器与振动台连接，数据采集系统包括连接在一起的上位机和数据采集仪，加速度传感器与数据采集仪连接，支撑装置包括振动座，振动座固定在振动台的振动头上。通过利用振动台产生振动激励，分别获得垂直方向和水平方向上的声压水听器与振速传感器之间的相位差，无需人为对测得的参数加入修正值，有效的简化了矢量水听器各参数的测量过程，并且由于矢量水听器声压振速相位差测量装置的结构简单、制造成本较低，使其更容易被普及使用。

Description

矢量水听器声压振速相位差测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测量装置，尤其涉及一种矢量水听器声压振速相位差测量装置及方法。
背景技术
振速型矢量水听器可以同步获取声场中某点处的声压标量信息和三维的矢量振速信息，而又由于其偶极子指向性与频率无关，对低频信号有很强的检测能力，因此近几十年矢量水听器在目标探测领域迅速引起重视。而利用矢量水听器进行目标探测少不了声压与振速的联合信号处理技术，这其中，声压与振速信号的相位差正是这一联合处理技术中非常重要的参数之一。由于原材料、制作工艺、生产环境等多种因素的影响，声压水听器与振速传感器之间对于相同信号的响应会存在一定的位相差，为了保证后期信息处理的准确性，必须准确测量这一参数。目前，针对矢量水听器声压与振速传感器之间的相位差尚未形成统一的标准，而国内有关矢量水听器各参数主要采用的是驻波管测量法。但是此方法测量时随着矢量水听器放入管中会影响管内声场的边界条件，影响管中的声场。为了获取准确的声场信息则必须在所测得的参数中加入一个修正值，但此修正值的获取需要从大量的测量数据中获取，这使得测量变得异常繁琐。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种矢量水听器声压振速相位差测量装置及方法，解决现有技术中矢量水听器各参数测量过程繁琐的缺陷，实现通过矢量水听器声压振速相位差测量装置方便快捷的对矢量水听器各参数进行测量。
本发明提供的技术方案是，一种矢量水听器声压振速相位差测量装置，包括：振动台、振动台控制器、信号发生器、数据采集系统、支撑装置、水筒和加速度传感器；所述信号发生器通过所述振动台控制器与所述振动台连接，所述数据采集系统包括连接在一起的上位机和数据采集仪，所述加速度传感器与所述数据采集仪连接，所述支撑装置包括振动座，所述振动座固定在所述振动台的振动头上；在对矢量水听器的垂直方向振速传感器和声压水听器进行相位差测量时，所述振动头垂直设置，所述水筒和所述矢量水听器分别固定在所述振动座的两端部，所述声压水听器位于所述水筒中，所述加速度传感器固定在所述振动座的中部，所述声压水听器和所述垂直方向振速传感器分别与所述数据采集仪连接；在对所述矢量水听器的水平方向振速传感器进行相位差测量时，所述振动头水平设置，所述加速度传感器和所述矢量水听器分别固定在所述振动座的两端部，所述水平方向振速传感器与所述数据采集仪连接。
进一步的，所述支撑装置还包括滑动座，所述滑动座上设置有滑轨；对所述矢量水听器的水平方向振速传感器进行相位差测量时，所述振动座滑动连接在滑轨上。
本发明还提供一种矢量水听器声压振速相位差测量方法，采用如上所述的矢量水听器声压振速相位差测量装置进行测量，具体步骤包括：
步骤1、打开信号发生器和振动台控制器，调节控制振动台产生频率为                                               
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE002
的振动激励；
步骤2、对矢量水听器的垂直Z方向振速传感器和声压水听器进行相位差测量：调整矢量水听器的垂直Z方向振速传感器与振动台的振动方向相同，通过上位机获得该频频率下的声压水听器与垂直Z方向振速传感器间的相位差
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE004
、以及声压水听器与加速度传感器间的相位差
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤3、对矢量水听器的水平X方向振速传感器和声压水听器进行相位差测量：调整矢量水听器的水平X方向振速传感器与振动台的振动方向相同，通过上位机获得该频频率下的水平X方向振速传感器与加速度传感器之间的相位差
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE008
，根据公式
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE010
，计算获得
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE012
;
步骤4、对矢量水听器的水平Y方向振速传感器和声压水听器进行相位差测量：调整矢量水听器的水平Y方向振速传感器与振动台的振动方向相同，通过上位机获得该频频率下的水平Y方向振速传感器与加速度传感器之间的相位差
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE014
，根据公式，计算获得
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE016
。
进一步的，所述步骤1具体为：通过信号发生器和振动台控制器，调节控制振动台依次产生频率为
Figure 167732DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE018
……
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE020
的振动激励，其中，
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE022
，为事先设定的增加值；
所述步骤2具体为：测量获得声压水听器与垂直Z方向振速传感器间的相位差
Figure 822835DEST_PATH_IMAGE004
、……，以及声压水听器与加速度传感器间的相位差
Figure 152798DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE030
……，并根据
Figure 904853DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 664999DEST_PATH_IMAGE026
……
Figure 932032DEST_PATH_IMAGE028
绘制在Z方向上的相位差频响曲线；
所述步骤3具体为：测量获得水平X方向振速传感器与加速度传感器之间的相位差
Figure 130932DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE034
……，根据公式
Figure 737494DEST_PATH_IMAGE010
，计算获得
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE040
……
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE042
，并根据、
Figure 360554DEST_PATH_IMAGE040
……
Figure 35249DEST_PATH_IMAGE042
绘制在X方向上的相位差频响曲线；
所述步骤4具体为：测量获得水平Y方向振速传感器与加速度传感器之间的相位差
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE046
……
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE048
，根据公式
Figure 496317DEST_PATH_IMAGE010
，计算获得
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE052
……
Figure 2013100452324100002DEST_PATH_IMAGE054
，并根据
Figure 860915DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 40223DEST_PATH_IMAGE052
……
Figure 315347DEST_PATH_IMAGE054
绘制在Y方向上的相位差频响曲线。
本发明提供的矢量水听器声压振速相位差测量装置及方法，通过利用振动台产生振动激励，分别获得垂直方向和水平方向上的声压水听器与振速传感器之间的相位差，无需人为对测得的参数加入修正值，有效的简化了矢量水听器各参数的测量过程，并且由于矢量水听器声压振速相位差测量装置的结构简单、制造成本较低，使其更容易被普及使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明矢量水听器声压振速相位差测量装置实施例处于垂直方向测量的结构示意图；
图2为本发明矢量水听器声压振速相位差测量装置实施例处于水平方向测量的结构示意图；
图3为本发明矢量水听器声压振速相位差测量装置实施例中支撑装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图3所示，本实施例矢量水听器声压振速相位差测量装置，包括：振动台1、振动台控制器2、信号发生器3、数据采集系统4、支撑装置5、水筒6和加速度传感器7；信号发生器3通过振动台控制器2与振动台1连接，数据采集系统4包括连接在一起的上位机41和数据采集仪42，加速度传感器7与数据采集仪42连接，支撑装置5包括振动座51，振动座51固定在振动台1的振动头11上；在对矢量水听器8的垂直方向振速传感器81和声压水听器82进行相位差测量时，振动头11垂直设置，水筒6和矢量水听器8分别固定在振动座51的两端部，声压水听器82位于水筒6中，加速度传感器7固定在振动座51的中部，声压水听器82和垂直方向振速传感器81分别与数据采集仪42连接；在对矢量水听器8的水平方向振速传感器83进行相位差测量时，振动头11水平设置，加速度传感器7和矢量水听器8分别固定在振动座51的两端部，水平方向振速传感器83与数据采集仪42连接。
具体而言，本实施例矢量水听器声压振速相位差测量装置通过信号发生器3向振动台控制器2发送单频信号，振动台控制器2将单频信号转换为控制信号控制振动台1产生相应频率的振动。本实施例矢量水听器声压振速相位差测量装置的测量原理为：利用振动台1产生激励，通过测量分别获取在垂直方向与水平方向上的声压水听器82与垂直方向振速传感器81和水平方向振速传感器83之间的相位差。参照图1，在水筒6中的液柱高度L大于直径2a情况下，可将液柱看作一维声传输线波导，水筒6中仅有平面波传播。由此可以计算得出水筒6中声压
Figure DEST_PATH_IMAGE056
（式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为介质密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
为液体中声速，L为液柱高度，h为声压水听器在水中深度，a为底座的加速度，v为底座的振速，k为波数），通过此声压推导公式可知，理想的声压信号p与激励的加速度a同相位，而比激励的振速信号v相位超前。因此，可以通过采集相同激励下声压信号与振速信号并对两信号的相位做差，再减掉其固定相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE062A
，得到声压水听器82与振速传感器之间的相位差，即
Figure DEST_PATH_IMAGE064
（式中，与
Figure DEST_PATH_IMAGE068
分别为某一频率处的声压水听器信号相位与该频点处某一方向振速传感器信号相位）；也可以通过比较法原理，先采集处理得出相同激励下声压水听器82与加速度传感器7的相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE070
（式中， 
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为某一频率处的加速度传感器7信号相位），再获取该加速度传感器7与水平方向振速传感器83之间的相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE074
，则可得到声压水听器82与振速传感器的相位差为
Figure DEST_PATH_IMAGE076
。采用上述第一种方法测量声压水听器82与垂直方向振速传感器81相位差，采用上述的比较法测量声压水听器82与水平方向振速传感器83间的相位差。具体的，在在对矢量水听器8的垂直方向振速传感器81和声压水听器82进行相位差测量时，振动头11垂直设置，矢量水听器8和水筒6通过刚性连接固定于振动座51上以保证测量时达到同振，以获得声压水听器82与垂直方向振速传感器81相位差，以及声压水听器82与加速度传感器7的相位差。而在对矢量水听器8的水平方向振速传感器83进行相位差测量时，将水筒6从振动座51上拆卸下，并将振动头11水平设置，以获得加速度传感器7与水平方向振速传感器83之间的相位差，进而根据公式，计算得到声压水听器82与水平方向振速传感器83间的相位差，实现简单快捷的对矢量水听器8进行测量，简化了测量的过程。
进一步的，为了使振动座在水平方向能够顺滑的振动，本实施例支撑装置5还包括滑动座52，滑动座52上设置有滑轨521；对矢量水听器8的水平方向振速传感器83进行相位差测量时，振动座51滑动连接在滑轨521上。具体的，在水平测量与垂直测量的过程中，振动座51与振动台1之间的连接有所不同。当进行垂直测量时，振动座51通过中间的四个螺纹孔安装固定在振动台1的振动头11上，振动座51的左边螺纹孔用来固定安装盛水的水筒6，而右边则用来安装矢量水听器8，加速度传感器7垂直安装在振动座51中央位置。当进行水平测量时，需要卸掉水筒6，振动台1水平放置，此时振动座51滑动连接在滑轨521上，为了减小对振动的影响，滑轨521应尽可能的光滑，振动座51的右端与振动台1的振动头11连接，加速度传感器7水平安装在振动座51的左端。
本发明还提供一种矢量水听器声压振速相位差测量方法，采用如上的矢量水听器声压振速相位差测量装置进行测量，具体步骤包括：
步骤1、打开信号发生器和振动台控制器，调节控制振动台产生频率为
Figure 457353DEST_PATH_IMAGE002
的振动激励；
步骤2、对矢量水听器的垂直Z方向振速传感器和声压水听器进行相位差测量：调整矢量水听器的垂直Z方向振速传感器与振动台的振动方向相同，通过上位机获得该频频率下的声压水听器与垂直Z方向振速传感器间的相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE077
、以及声压水听器与加速度传感器间的相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE078
；
步骤3、对矢量水听器的水平X方向振速传感器和声压水听器进行相位差测量：调整矢量水听器的水平X方向振速传感器与振动台的振动方向相同，通过上位机获得该频频率下的水平X方向振速传感器与加速度传感器之间的相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE079
，根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE080
，计算获得;
步骤4、对矢量水听器的水平Y方向振速传感器和声压水听器进行相位差测量：调整矢量水听器的水平Y方向振速传感器与振动台的振动方向相同，通过上位机获得该频频率下的水平Y方向振速传感器与加速度传感器之间的相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE082
，根据公式
Figure 605569DEST_PATH_IMAGE080
，计算获得
Figure DEST_PATH_IMAGE083
。
进一步的，为了获得不同频率下的相位差以获得相位差频响曲线，步骤1具体为：通过信号发生器和振动台控制器，调节控制振动台依次产生频率为
Figure 334490DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 350988DEST_PATH_IMAGE018
……
Figure 848965DEST_PATH_IMAGE020
的振动激励，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE084
，为事先设定的增加值；
步骤2具体为：测量获得声压水听器与垂直Z方向振速传感器间的相位差
Figure 508934DEST_PATH_IMAGE077
、
Figure DEST_PATH_IMAGE085
……
Figure DEST_PATH_IMAGE086
，以及声压水听器与加速度传感器间的相位差
Figure 329122DEST_PATH_IMAGE078
、……
Figure DEST_PATH_IMAGE088
，并根据
Figure 616359DEST_PATH_IMAGE077
、
Figure 434274DEST_PATH_IMAGE085
……
Figure 872208DEST_PATH_IMAGE086
绘制在Z方向上的相位差频响曲线；
步骤3具体为：测量获得水平X方向振速传感器与加速度传感器之间的相位差
Figure 292825DEST_PATH_IMAGE079
、
Figure DEST_PATH_IMAGE089
……
Figure DEST_PATH_IMAGE090
，根据公式
Figure 703078DEST_PATH_IMAGE080
，计算获得、
Figure DEST_PATH_IMAGE092
……
Figure DEST_PATH_IMAGE093
，并根据
Figure 691894DEST_PATH_IMAGE091
、
Figure 617125DEST_PATH_IMAGE092
……
Figure 779116DEST_PATH_IMAGE093
绘制在X方向上的相位差频响曲线；
步骤4具体为：测量获得水平Y方向振速传感器与加速度传感器之间的相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE094
、
Figure DEST_PATH_IMAGE095
……，根据公式，计算获得
Figure DEST_PATH_IMAGE097
、
Figure DEST_PATH_IMAGE098
……
Figure DEST_PATH_IMAGE099
，并根据
Figure 872766DEST_PATH_IMAGE097
、
Figure 285293DEST_PATH_IMAGE098
……
Figure 313292DEST_PATH_IMAGE099
绘制在Y方向上的相位差频响曲线。
本发明提供的矢量水听器声压振速相位差测量装置及方法，通过利用振动台产生振动激励，分别获得垂直方向和水平方向上的声压水听器与振速传感器之间的相位差，无需人为对测得的参数加入修正值，有效的简化了矢量水听器各参数的测量过程，并且由于矢量水听器声压振速相位差测量装置的结构简单、制造成本较低，使其更容易被普及使用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种矢量水听器声压振速相位差测量装置，其特征在于，包括：振动台、振动台控制器、信号发生器、数据采集系统、支撑装置、水筒和加速度传感器；所述信号发生器通过所述振动台控制器与所述振动台连接，所述数据采集系统包括连接在一起的上位机和数据采集仪，所述加速度传感器与所述数据采集仪连接，所述支撑装置包括振动座，所述振动座固定在所述振动台的振动头上；
在对矢量水听器的垂直方向振速传感器和声压水听器进行相位差测量时，所述振动头垂直设置，所述水筒和所述矢量水听器分别固定在所述振动座的两端部，所述声压水听器位于所述水筒中，所述加速度传感器固定在所述振动座的中部，所述声压水听器和所述垂直方向振速传感器分别与所述数据采集仪连接；
在对所述矢量水听器的水平方向振速传感器进行相位差测量时，所述振动头水平设置，所述加速度传感器和所述矢量水听器分别固定在所述振动座的两端部，所述水平方向振速传感器与所述数据采集仪连接。
2. 根据权利要求1所述的矢量水听器声压振速相位差测量装置，其特征在于，所述支撑装置还包括滑动座，所述滑动座上设置有滑轨；对所述矢量水听器的水平方向振速传感器进行相位差测量时，所述振动座滑动连接在滑轨上。
3. 一种矢量水听器声压振速相位差测量方法，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的矢量水听器声压振速相位差测量装置进行测量，具体步骤包括：
步骤1、打开信号发生器和振动台控制器，调节控制振动台产生频率为                                               
Figure 2013100452324100001DEST_PATH_IMAGE002
的振动激励；
步骤2、对矢量水听器的垂直Z方向振速传感器和声压水听器进行相位差测量：调整矢量水听器的垂直Z方向振速传感器与振动台的振动方向相同，通过上位机获得该频频率下的声压水听器与垂直Z方向振速传感器间的相位差
Figure 2013100452324100001DEST_PATH_IMAGE004
、以及声压水听器与加速度传感器间的相位差；
步骤3、对矢量水听器的水平X方向振速传感器和声压水听器进行相位差测量：调整矢量水听器的水平X方向振速传感器与振动台的振动方向相同，通过上位机获得该频频率下的水平X方向振速传感器与加速度传感器之间的相位差
Figure 2013100452324100001DEST_PATH_IMAGE008
，根据公式，计算获得;
步骤4、对矢量水听器的水平Y方向振速传感器和声压水听器进行相位差测量：调整矢量水听器的水平Y方向振速传感器与振动台的振动方向相同，通过上位机获得该频频率下的水平Y方向振速传感器与加速度传感器之间的相位差
Figure 2013100452324100001DEST_PATH_IMAGE014
，根据公式，计算获得
Figure 2013100452324100001DEST_PATH_IMAGE016
。
4. 根据权利要求3所述的矢量水听器声压振速相位差测量方法，其特征在于，所述步骤1具体为：通过信号发生器和振动台控制器，调节控制振动台依次产生频率为
Figure 405723DEST_PATH_IMAGE002
、……
Figure 2013100452324100001DEST_PATH_IMAGE020
的振动激励，其中，，
Figure 2013100452324100001DEST_PATH_IMAGE024
为事先设定的增加值；
所述步骤2具体为：测量获得声压水听器与垂直Z方向振速传感器间的相位差
Figure 180913DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 2013100452324100001DEST_PATH_IMAGE026
……
Figure 2013100452324100001DEST_PATH_IMAGE028
，以及声压水听器与加速度传感器间的相位差
Figure 684706DEST_PATH_IMAGE006
、……，并根据
Figure 924058DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 222315DEST_PATH_IMAGE026
……
Figure 609434DEST_PATH_IMAGE028
绘制在Z方向上的相位差频响曲线；
所述步骤3具体为：测量获得水平X方向振速传感器与加速度传感器之间的相位差
Figure 979235DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 2013100452324100001DEST_PATH_IMAGE034
……
Figure 2013100452324100001DEST_PATH_IMAGE036
，根据公式
Figure 745197DEST_PATH_IMAGE010
，计算获得
Figure 2013100452324100001DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure DEST_PATH_IMAGE040
……
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，并根据
Figure 477005DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 85841DEST_PATH_IMAGE040
……
Figure 197017DEST_PATH_IMAGE042
绘制在X方向上的相位差频响曲线；
所述步骤4具体为：测量获得水平Y方向振速传感器与加速度传感器之间的相位差、
Figure DEST_PATH_IMAGE046
……
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，根据公式
Figure 145381DEST_PATH_IMAGE010
，计算获得
Figure DEST_PATH_IMAGE050
、……
Figure DEST_PATH_IMAGE054
，并根据
Figure 988703DEST_PATH_IMAGE050
、……
Figure 734123DEST_PATH_IMAGE054
绘制在Y方向上的相位差频响曲线。
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