CN103196546A - 一种水声传感器声学参数近场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水声传感器声学参数近场测量方法，包括采用由多个小型传感器组成的球形近场测量基阵作为接收器，对放置在球心处的大尺寸被测声学传感器在垂直于球形基阵赤道面的方向上的发射声学参数进行测量；计算加权系数；通过采用复数加权系数对球形近场测量基阵的接收信号进行加权数据处理，得到的结果就等同于被测传感器在远场平面波声场中得到的数据。本发明的有益效果是：具有更好的灵活性，也更经济，更高效实用，适合于确定声学传感器特定方向上的参数。采用本发明的近场测量方法避免了该测量要求，可以在有限尺寸的水池中实现大尺寸水声传感器的声学参数测量。

Description

一种水声传感器声学参数近场测量方法

技术领域

本发明涉及一种近场测量方法，更具体说，它涉及一种水声传感器声学参数近场测量方法。 

背景技术

在常规情况下，声学传感器声学参数的测量都是在被测水声传感器的远场平面波声场条件下进行的，当测试频率越高或者被测传感器尺寸越大时，所需要的远场距离就越大。大尺寸的声学传感器给常规的远场测量提出了许多难题：①在实验室条件下的有限水域内无法满足测量所需要的远场自由场条件；②在外场开阔水域内实施远距离测量容易受干扰影响并且定位和对准产生很大困难，严重的情况下甚至导致测量的失败。③在大尺寸声学传感器的空间指向性的测量是很难用远场方法来实现的。④一些新型声学传感器所要求的声学参数测量无法用常规的远场方法解决。近场测量技术作为远场测量技术的补充，在解决这些问题时则体现了自身的优势。水声计量中，经常需要确定由水声传感器辐射到其远场的声压。对于大口径传感器，尺寸有限的测量设施会使得其远场辐射的直接测量变得困难，甚至不可能实现。近场测量基阵的概念解决了该问题：通过使得远场平面波声场能够在被测传感器附近实现，从而在其近场进行参数测量来。一个近场测量基阵是由小型无指向性传感器组成的大型阵列，对所有单个传感器的接收数据进行处理后，基阵对于来自于被测水声传感器某个方向的发射信号起到平面波滤波器的作用，也就是说，基阵在单个特定方向上对平面波分量产生响应。最初产生的近场测量基阵是平面型的。基阵对于定向垂直于基阵的平面波分量，也就是远场声波产生响应。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构合理，精度高，稳定性好的温度实时精确补偿的光纤光栅压力传感器。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。这种水声传感器声学参数近场测量方法，包括采用由多个小型传感器组成的球形近场测量基阵作为接收器，对放置在球心处的大尺寸被测声学传感器在垂直于球形基阵赤道面的方向上的发射声学参数进行测量；计算加权系数；通过采用复数加权系数对球形近场测量基阵的接收信号进行加权数据处理，得到的结果就等同于被测传感器在远场平面波声场中得到的数据。 

作为优选：所述球形近场测量基阵的小型传感器基元呈中心轴对称分布，中心轴垂直于 赤道面，所有基元都处在由角度间隔均匀的经线和纬线相交点上，可以根据纬度间隔对球形基阵的基元分布进行纬带分割，将每一个纬度间隔内的基元分别分割在各自纬带内，同一个纬带内的基元作为单独一路发射或者接收，并采用同一个复数加权系数进行处理。 

作为优选：计算加权系数：首先确定球形基阵的纬带数n，即球形基阵共有n路。以球形基阵作为发射，设定各路复数加权系数为a₁…a_n，采用复数加权系数对球形基阵的发射信号进行处理，那么在球形基阵球心处得到平面波声场区域。再确定平面波声场区域中离散采样点空间几何位置和个数m，结合点源辐射声场规律，计算出各条纬带上的所有基元在各采样点产生的声波p_nm。平面波声场中的各采样点的声压为p₁…p_m，根据矩阵方程∑a_np_nm=p_m计算出系数a₁…a_n。 

作为优选：测量过程：采用比较法测量；将被测水声传感器放置在球形基阵的球心处，并将所需要测量的方向沿着中心轴方向放置，即垂直于球形基阵的赤道面，以球形基阵作为接收器采集被测传感器的发射信号，然后取出被测传感器，将参数已知的标准传感器按照同样的方式放置好后采用球形基阵采集标准传感器的发射信号。 

作为优选：数据处理：根据互易原理，采用复数加权系数a₁…a_n分别处理球形基阵各路小型传感器接收到的被测和标准传感器的发射信号，得到球形基阵对被测和标准传感器的总接收数据，进行比较之后就可以得到被测水声传感器在沿着中心轴方向上的发射参数。 

作为优选：球形基阵计算加权系数时设定的平面波方向垂直于球形基阵的赤道面，最终经过数据处理得到的参数为被测传感器垂直于球形基阵赤道面的方向上的参数。 

本发明的有益效果是：具有更好的灵活性，也更经济，更高效实用，适合于确定声学传感器特定方向上的参数。由于大尺寸传感器的远场距离较大，而传感器的声学参数测量要求在远场平面波区域内进行。采用本发明的近场测量方法避免了该测量要求，可以在有限尺寸的水池中实现大尺寸水声传感器的声学参数测量。采用由多个参数已知的小型传感器组成的球形近场测量基阵作为接收器，对放置在球心处的大尺寸被测声学传感器的发射声学参数进行测量。通过采用复数加权系数对球形近场测量基阵的接收信号进行加权处理，得到的数据就等同于被测传感器在远场平面波声场中得到的数据，从而满足了被测水声传感器的参数测量条件。 

附图说明

图1为球形近场测量基阵侧视图； 

图2为球形近场测量基阵俯视图； 

图3、图4为球形基阵内部声场示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。虽然本发明将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本发明限制在所述实施例中。相反，本发明将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本发明的范围内的替换物、改进型和等同物。 

参见图1至图2所示，依据传感器的发射与接收之间的互易关系，采用小型水声传感器基元组成球形近场测量基阵，通过对球形近场测量基阵发射信号进行加权处理，直至使得基阵在其内部球心附近产生一个平面波区域，该区域范围内的声压基本相同，因为基元的发射性能已知，就可计算得到所需要的加权系数，根据互易原理，该发射加权系数也可以用作球形近场测量基阵的接收加权系数。当测量处于球形近场测量基阵球心处的被测声学传感器发射性能时，在该平面波区域内的被测水声传感器作为发射，球形近场测量基阵接收信号，球形近场测量基阵的所有基元的接收数据经过加权系数处理以后得到的结果就等同于在被测声学传感器的远场平面声场中直接测得的结果，就可获取被测传感器的发射性能参数。互易原理是水声传感器声参数近场测量技术的理论基础，它保证了发射加权系数也可作为接收加权系数的准确性和科学性。 

一个球形近场测量基阵示意图如图1所示，其小型传感器基元的分布具有几个特点：第一，整个球形近场测量基阵的小型传感器基元分布在球面上，呈中心对称分布，极轴即为基阵的中心对称轴；第二，近场测量基阵的所有基元都处在角度间隔均匀的经线和纬线相交点上，同样也对称分布在赤道面的两侧，每条纬线上的基元同样均匀间隔。第三，可以根据纬度间隔对球形基阵的基元分布进行纬带分割，从极点到赤道面之间根据纬度间隔分割成多条球面环形纬带，将每一个纬度间隔内的基元分别分割在各自纬带内，同一个纬带内的基元作为单独一路发射或者接收，并采用同一个复数加权系数进行处理，每一条球面纬带内的点源个数是相同的；第四，在越靠近极点的球面环形纬带内的点源分布越密集，相反的，越靠近赤道的纬带内点源分布越稀疏。 

本发明描述的水声传感器声学参数近场测量方法的步骤如下： 

1计算加权系数 

首先假定各条球面环形纬带内的小型传感器发射信号进行复数加权处理后，在球心附近区域内产生垂直于赤道面的平面波。确定球形基阵的纬带数n，即球形基阵共有n路。以球形基阵作为发射，设定各路复数加权系数为a₁…a_n，采用复数加权系数对球形基阵的发射信 号进行处理，那么在球形基阵球心处得到平面波声场区域。在平面波区域内采样m个空间点，确定采样点的空间几何位置，结合点源辐射声场规律，计算出各条纬带上的所有基元在各采样点产生的声波p_nm，平面波声场中的各采样点的声压为p₁…p_m。球形近场测量基阵经过复数加权后能满足下列矩阵方程，根据矩阵方程计算出系数a₁…a_n。 

∑a_np_nm=p_m    （1） 

其中，a_n为球形近场测量基阵第n条球面环形纬带的复数加权系数，p_nm为第n条球面环形纬带上所有基元未经过复数加权时在空间m点处的声压总和，p_m为平面波区域内某m点处的平面波声压。 

将公式（1）进行展开得到 

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1{p}_{11}+a_2{p}_{21}+\·\·\·{+a}_n{p}_{n1}=p_1\\ a_1{p}_{12}+a_2{p}_{22}+\·\·\·+a_n{p}_{n2}=p_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_1{p}_{1m}+a_2{p}_{2m}+\·\·\·+a_n{p}_{\mathrm{nm}}=p_m\end{array}\right.---\left(2\right)$

由于平面波区域内m个空间点上的声压都是相同的，即p₁=p₂=…=p_m，在实际计算时，可设定为1，不会失去通用性。未知量加权系数的个数共有n个，要想方程组有确定的解，平面波区域内的空间采样点数m≥n，当然采样点数越多越好，可以结合计算机的计算速度及时间综合考虑。为了验证加权系数的可靠性，重新选取球心附近区域内的任意空间点，将加权系数回代入方程组中进行计算，以确定在该区域内得到平面波声场。 

2测量过程 

采用比较法测量，将被测水声传感器放置在球形基阵的球心处，并将所需要测量的方向沿着中心轴方向放置，即垂直于球形基阵的赤道面，以球形基阵作为接收器采集被测传感器的发射信号，得到一个矩阵数据D_被测，然后取出被测传感器，将参数已知的标准传感器按照同样的方式放置好后采用球形基阵采集标准传感器的发射信号，得到另一个矩阵数据D_标准。 

3数据处理 

根据互易原理，采用复数加权系数a₁…a_n分别处理球形基阵各路小型传感器接收到的被测和标准传感器的发射信号，分别得到被测传感器和标准传感器对球形进场测量基阵产生的总声压p_被测和p_标准，设定被测传感器和标准传感器的发射参数分别为S_被测和S_标准，根据比较 法，得到下列方程 

因为S_标准是已知的，根据公式（3）就可以得到被测水声传感器在沿着中心轴方向上的发射参数

球形基阵计算加权系数时设定的平面波方向垂直于球形基阵的赤道面，最终经过数据处理得到的参数为被测传感器垂直于球形基阵赤道面的方向上的参数，即沿着中心轴方向上的参数，如果要得到其它方向上的参数，将被测传感器按照适当的方向放置，再采用上述步骤进行测量即可得到该方向上的参数。 

具体的一个实施例： 

第一步：计算加权系数 

假设球形近场测量基阵的半径为1m，经线和纬线上的基元角度间隔都是6度，那么在极点到赤道之间的90°角度内分割成15条纬带，即存在15个加权系数，即n=15，并得到每一个基元的具体空间位置以及每一条纬带上的基元编号。选定球形近场测量基阵内球心附近的平面波区域，在该区域内的空间采样点数1万个点，即m=10000（具体空间采样点数根据精度需要设定，取的点数越多，最终得到的精度越高，即越接近于平面波效果）。在该平面波区域内的声压幅度相同，因此设定平面波幅度为1，即p₁=p₂=…=p_m=1。结合点源辐射声场规律，计算出各条纬带上的所有基元在各采样点的声场p_nm，再根据矩阵方程（1）计算出系数a_n，得到的结果如下表所示。为了验证结果的可靠性，采用计算得到的加权系数对球形基阵的发射信号进行处理，得到的球形基阵内部声场如图3和图4所示，由图可见球心区域内的平面波声场分布起伏约为1.27×10^-7%，可以认为是平面波声场。 

系数编号	相对幅值	相位（弧度）
			1	225.82	-1.8079
2	641.31	1.2912
			3	928.82	-1.8982
4	1058.72	1.1339
			5	1052.53	-2.112

[0035] 

6	884.90	0.911
			7	668.58	-2.4024
8	475.07	0.5877
			9	300.10	-2.6197
10	159.34	0.5442
			11	69.84	-2.4816
12	25.39	0.9175
			13	8.25	-1.7091
14	3.16	2.1654
			15	1.00	-0.5413

第二步：实施测量过程 

将活塞型被测水声传感器声中心放置在球形基阵的球心处，并将其圆形辐射面平行于赤道面放置，即沿着中心轴方向放置，以球形基阵作为接收器采集被测传感器的发射信号，得到矩阵数据D_被测，然后取出被测传感器，将参数已知的标准传感器按照同样的方式放置好后采用球形基阵采集标准传感器的发射信号，得到矩阵数据D_标准。 

第三步：数据处理 

采用复数加权系数a₁…a_n分别处理球形基阵各路小型传感器对被测和标准传感器发射信号的接收数据D_被测和D_标准，分别得到被测传感器和标准传感器对球形进场测量基阵产生的总声压p_被测=6.3和p_标准=1.6，设定被测传感器和标准传感器的发射参数分别为S_被测和S_标准，已知S_标准=1kPa/V，根据公式（3）就可以得到被测水声传感器在沿着中心轴方向上的发射参数S_被测=3.94kPa/V，该数据与在被测换能器的远场平面波声场中进行的常规参数测量结果吻合良好，证明了本发明测量方法的正确性。 

Claims (6)

1.一种水声传感器声学参数近场测量方法，其特征在于：采用由多个小型传感器组成的球形近场测量基阵作为接收器，对放置在球心处的大尺寸被测声学传感器在垂直于球形基阵赤道面的方向上的发射声学参数进行测量；计算加权系数；通过采用复数加权系数对球形近场测量基阵的接收信号进行加权数据处理，得到的结果就等同于被测传感器在远场平面波声场中得到的数据。

2.根据权利要求1所述的水声传感器声学参数近场测量方法，其特征在于：所述球形近场测量基阵的小型传感器基元呈中心轴对称分布，中心轴垂直于赤道面，所有基元都处在由角度间隔均匀的经线和纬线相交点上，能够根据纬度间隔对球形基阵的基元分布进行纬带分割，将每一个纬度间隔内的基元分别分割在各自纬带内，同一个纬带内的基元作为单独一路发射或者接收，并采用同一个复数加权系数进行处理。

3.根据权利要求1所述的水声传感器声学参数近场测量方法，其特征在于：计算加权系数：首先确定球形基阵的纬带数n，即球形基阵共有n路；以球形基阵作为发射，设定各路复数加权系数为a₁…a_n，采用复数加权系数对球形基阵的发射信号进行处理，那么在球形基阵球心处得到平面波声场区域；再确定平面波声场区域中离散采样点空间几何位置和个数m，结合点源辐射声场规律，计算出各条纬带上的所有基元在各采样点产生的声波p_nm；平面波声场中的各采样点的声压为p₁…p_m，根据矩阵方程∑a_np_nm=p_m计算出系数a₁…a_n。

4.根据权利要求1所述的水声传感器声学参数近场测量方法，其特征在于：测量过程：采用比较法测量；将被测水声传感器放置在球形基阵的球心处，并将所需要测量的方向沿着中心轴方向放置，即垂直于球形基阵的赤道面，以球形基阵作为接收器采集被测传感器的发射信号，然后取出被测传感器，将参数已知的标准传感器按照同样的方式放置好后采用球形基阵采集标准传感器的发射信号。

5.根据权利要求1所述的水声传感器声学参数近场测量方法，其特征在于：数据处理：采用复数加权系数a₁…a_n分别处理球形基阵各路小型传感器接收到的被测和标准传感器的发射信号，得到球形基阵对被测和标准传感器的总接收数据，进行比较之后就能够得到被测水声传感器在沿着中心轴方向上的发射参数。

6.根据权利要求1所述的水声传感器声学参数近场测量方法，其特征在于：球形基阵计算加权系数时设定的平面波方向垂直于球形基阵的赤道面，最终经过数据处理得到的参数为被测传感器垂直于球形基阵赤道面的方向上的参数。

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