CN103743469A - 压电水声换能器声辐射模态测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于联合近场声全息的压电水声换能器声辐射模态测量方法及系统，该方法采用联合近场声全息重建声场声压及辐射面振速，在以测量数据为依据并结合声场辐射的理论获得声辐射算子矩阵的基础上，将压电水声换能器的声辐射功率表示为一个正定的二次型，然后利用矩阵的正定和共扼性，获取结构的声辐射模态；该系统包括玻璃水槽、带有PXI总线的工控机，基于PXI总线的换能器激励模块、声压和振速采集模块及三维运动平台；本发明的方法和系统突破当前复杂水下结构声辐射模态只能数值求解这一限制，为压电水声换能器的研究提供一种新的思路，也为水声压电换能器结构优化提供依据。

Description

压电水声换能器声辐射模态测量方法及系统

技术领域

本发明属于压电水声换能器技术领域，具体涉及压电水声换能器声辐射模态测量方法及系统。

背景技术

随着我国海洋战略的实施，在海洋资源探测开发的技术竞争日趋激烈，围绕海洋资源的军事对抗不断蔓延的背景下，具有低频、大功率、深水、小尺寸等特性的水声换能器这一声纳技术的基石受到了越来越多的重视。传统结构的水声换能器受到设计理论上的限制，同时实现上述技术指标较为困难，为此，基于新机理、新材料、新工艺设的水声换能器成为了发展方向。而压电材料具有较高的电声效率，材料来源广泛，压电式水声换能器的研究和应用最为广泛。

压电水声换能器作为一种典型声源将结构振动与声辐射紧密结合，关于其研究大多借助于力学领域的模态分析方法，不仅在振动空间内考察结构位移、振速，还试图直接利用振动模态函数来表征换能器的声辐射性质，把结构振动的分布作为边值问题来计算声场，忽略了辐射面的几何形状、声学环境等与声辐射有关的因素，更为致命的是由于结构模态间的耦合的存在，结构模态函数并不是换能器的辐射声场的一组基函数，表面振动的主导振动模态频率在结构声辐射中并不一定占主导地位，通过振动模态来研究结构振动的声辐射变得极为复杂。对于结构、激励力和声辐射环境组成的一个振动声辐射系统,振动与声辐射有密切关系，因此，从声辐射模态这一全新视角研究压电水声换能器有重要意义。

然而关于声辐射模态的研究才刚起步，理论研究仅限于具有简单规则形状的结构，对于简单的二维结构或三维对称结构，可使用解析方法获得其声辐射模态；对于三维空间结构的辐射声场还需要借助于有限元和边界元等数值方法来解决，其声辐射模态的理论研究更为繁琐；迄今为止，关于水声压电换能器声辐射模态测量还是空白。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供压电水声换能器声辐射模态测量方法及系统，本发明的方法和系统突破当前复杂水下结构声辐射模态只能数值求解这一限制，为压电水声换能器的研究提供一种新的思路，也为水声压电换能器结构优化提供依据；基于联合近场声全息的压电水声换能器声辐射模态测量系统采用基于虚拟仪器的体系结构和模块化设计策略，可在确保一定的硬件资源下，能够通过软件配置和升级，柔性调整系统的应用范围和对象。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

电水声换能器声辐射模态测量方法，包括以下步骤：

步骤1：采用基于声压和振速的联合近场声全息重构换能器辐射面的振速及辐射声场信息；

步骤:2：以换能器辐射面声压和振速的重建数据为基础，通过单元辐射器法求取近场声辐射算子矩阵；

步骤:3：使用近场声辐射算子矩阵及换能器辐射面振速将换能器的辐射声功率表示为二次型矩阵，然后利用矩阵的正定和共扼性对二次型矩阵进行特征值分解最终获得压电水声换能器的声辐射模态。

步骤1所述的采用基于声压和振速的联合近场声全息重构换能器辐射面的振速及辐射声场信息，具体包括如下步骤：

①测量换能器半辐射空间内包含所有辐射方向的半球形全息面上的声压及法向振速；

②获取半球形全息面上各测量点声压的相位信息；

③利用半球形全息面上声压和法向振速的叠加原理以及波数域的欧拉公式,通过声场分离算法从由①、②两步骤获取的声场复声压及振速信息中萃取出入射声场对应的分量，减小可能存在的反射带来的重建误差；

④以步骤③获得的入射声场的声压及振速信息为基础，确定换能器辐射面内部的等效源强；

⑤根据等效源强在声场中所占的权重关系来重建换能器辐射面振速及声场的压。。

步骤①所述的测量换能器半辐射空间内包含所有辐射方向的半球形全息面上的声压及法向振速，具体方法为：

三维运动平台带动矢量水听器沿包含换能器所有辐射方向的半球形全息面逐点扫描，同时测量声压及法向振速；为满足不失真条件至少需要4(N+1)²个采样点，使用等角度采样策略，在球坐标系的θ和φ方向分别取2(N+1)个采样点，其中N需满足

$N={\mathrm{kr}}_h=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{inc}}}{r}_h$

其中，k为波数，λ_inc为压电水声换能器辐射声波的波长，r_h为半球形全息面的半径。

步骤②所述的获取全息面各测量点的声压的相位信息，具体方法为：

使用针式水听器测量声场中一个固定于换能器辐射面附近，与声源保持预设相位关系的参考点声压，通过计算全息面上各测量点声压和与参考点声压之间的互相关函数获取全息面上各点的相位，为尽量减小对入射声场的干扰，尽量选择能够获得的具有最小直径的针式水听器。

实现上述所述方法的压电水声换能器声辐射模态测量系统，包括玻璃水槽1、带有PXI总线的工控机2，基于PXI总线的换能器激励模块3、声压和振速采集模块4及三维运动平台5；

所述带有PXI总线的工控机2用于设置信号发生器波形、频率、幅值，分析对象属性、空气密度、声速、采样率、采集时长、扫描方式系统参数，并对采集数据进行处理、分析、显示，此外还为基于PXI总线的换能器激励模块3、声压和振速采集模块4及三维运动平台5提供总线接口；

所述基于PXI总线的换能器激励模块3由依次连接的基于PXI总线的信号发生器6、线性功率放大器7及自动阻抗匹配仪8组成，所述基于PXI总线的信号发生器6和带有PXI总线的工控机2的PXI总线接口连接，所述自动阻抗匹配仪8和置于玻璃水槽1中的换能器连接，其中基于PXI总线的信号发生器6用于产生换能器驱动信号，经线性功率放大器7和自动阻抗匹配仪8后加载于换能器上，保证换能器处于最佳工作状态；

所述声压和振速采集模块4由矢量水听器10和针式水听器9，以及与矢量水听器10和针式水听器9均连接的调理和预放大单元11及基于PXI总线的高速数据采集处理卡组成，所述基于PXI总线的高速数据采集处理卡12和带有PXI总线的工控机2的PXI总线接口连接，其中矢量水听器10用于测量辐射声场声压和振速，将声场的声压和振速转换成电压信号，并经过调理和预放大单元11传输给基于PXI总线的高速数据采集处理卡12；针式水听器9用于测量位于声源附近参考点的声压信号，声压转换为电压信号后同样经过调理和预放大单元11传输给基于PXI总线的高速数据采集处理卡12；基于PXI总线的高速数据采集处理卡12用于采集调理、预放大后的矢量水听器10及针式水听器9的输出信号，将模拟电压信号转换为数字量以一定的文件格式保存进计算机中；

所述三维运动平台5用于带动安装于其上的矢量水听器10运动，实现测量面上数据的采集，其主要由依次连接的基于PLC的三维移动平台控制器13、步进电机驱动器14、步进电机15及机械本体16组成，所述三维移动平台控制器13和带有PXI总线的工控机2的总线接口连接，所述矢量水听器10安装在机械本体16上。

所述步进电机驱动器14由X轴步进电机驱动器、Y轴步进电机驱动器和Z轴步进电机驱动器组成。

所述步进电机15包括由与X轴步进电机驱动器、Y轴步进电机驱动器和Z轴步进电机驱动器连接的X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴步进电机组成。

所述机械本体16包括由与X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴步进电机连接的X轴丝杠执行机构、Y轴丝杠执行机构和Z轴丝杠执行机构组成。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明所述方法使用矢量水听器获取声场声压和振速信息，充分利用二者之间的关联和差别，对二者进行联合处理，解决了单纯依据测量声压信息重建声场时，辐射面振速的重建精度通常远低于声压重建精度的问题。

2、本发明所述方法采用包含换能器所有辐射方向的单半球面全息，避免了非封闭曲面测量产生的声场信息泄露。

3、本发明所述的方法突破当前复杂结构声辐射模态只能数值求解这一限制，填补了采用实验方法获取复杂结构声辐射模态技术的空白。

4、本发明所述的方法为三维复杂结构压电水声换能器的研究提供一种新的思路和方法，为其结构优化提供依据。

5、本发明所述系统基于虚拟仪器的体系结构，可确保一定的硬件资源下，能够通过软件配置和升级，柔性调整系统的应用范围和对象；测量结果通过可视化技术显示于人机交互界面，具有简单明了的优点。

6、本发明所述系统的设计基于PXI总线结构和模块化策略，可以根据用户的具体需求选择不同成本及附加功能的任务模块，丰富的预留总线接口保证了集成应用信息流的畅通，可以实现与其它测量设备的对接。

附图说明

图1是压电水声换能器声辐射模态测量方法流程图。

图2是基于声压和振速的联合近场声全息重构换能器辐射面的振速及辐射声场信息的流程图。

图3是由全息面上振速及声压信息萃取入射声场分量的示意图。

图4是压电水声换能器声辐射模态测量系统的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，压电水声换能器声辐射模态测量方法的一般流程包括：

S1、采用基于声压和振速的联合近场声全息重构换能器辐射面的振速V_r及辐射声场的声压P_f。

S2、以辐射面声压和振速的重建数据为基础，通过单元辐射器法求取近场声辐射算子矩阵，计算结构声辐射模态的传统方法是利用瑞利公式求取远场声压，获得远场任一点的声强，最后沿包围辐射体封闭曲面对声强积分得到总的声功率，这一方法在数学上很繁琐，本发明采用的近场方法获得结构声辐射模态。具体的实施过程为，将辐射面分割成N个相同面积振动面元(面元的分割应保证面元几何尺寸远小于声波波长)，以面元中心位置由近场声全息重建的声压p_ri和振速v_ri代表第i个面元的声压和振速，则由各面元上的声压p_ri和法向振速v_ri组成的N阶声压向量{p_ri}_N×1和振速向量{v_ri}_N×1之间存在如下关系：

P_r=Z V_r

其中，P_r={p_ri}_N×1，V_r={v_ri}_N×1，Z为N×N阶声辐射算子矩阵。

S3、使用声辐射算子矩阵及辐射面振速将换能器的辐射声功率表示为二次型，然后利用矩阵的正定和共扼性对矩阵进行特征值分解最终获得压电水声换能器的声辐射模态。具体的实施过程为，根据S2中将辐射面分为N个相等面元，第i个面元的辐射声功率为

$w_{\mathrm{rad}\_i}=\frac{1}{2}\mathrm{\ΔsRe}\left({v_{\mathrm{ri}}}^{*}{p}_{\mathrm{ri}}\right)$

其中，Δs为第i个面元的面积，Re()表示取复变量的实部。换能器辐射面总辐射声功率为：

$W_{\mathrm{rad}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{rad}\_i}=\frac{1}{2}\mathrm{\ΔsRe}\left({V_r}^H{P}_r\right)$

其中将声辐射算子矩阵Z带入上式可得：

$W_{\mathrm{rad}}={V_r}^H\left[\frac{1}{2}\mathrm{\ΔsRe}\left(Z\right)\right]V_r={V_r}^H{\mathrm{RV}}_r$

R为实对称正定矩阵，对其进行特征值分解

R=Φ^TAΦ

其中，A为由特征值构成的N×N阶对角矩阵，Φ={φ_k}_N由N个N阶特征向量组成，φ_i表示换能器辐射面的一种可能的速度分布，代表了一种固有的辐射形式，即k阶声辐射模态。

如图2所示，基于声压和振速的联合近场声全息重构换能器辐射面的振速及辐射声场的一般流程包括：

S1.1测量换能器半辐射空间内包含所有辐射方向的半球形全息面上的声压及法向振速。选择近场范围内包含换能器所有辐射方向的半径为a_h的半球形曲面为全息面，使用MEMS仿生矢量水听器实现全息面上声压及法向振速的同时测量，由三维运动平台带动固定于其上的矢量水听器沿用户设置的路径在半球形全息面逐点扫描。扫面点数越多，重构的换能器辐射面法向振速及声场声压的精度越高，然而耗费时间越长。数据采集的效率同重建精度存在制约关系，只有效协调它们之间的关系，才能取得令人满意的效果。为满足不失真条件至少需要4(N+1)²个采样点，使用等角度采样策略，在以球心为坐标原点的球坐标系下，θ和φ方向分别取2(N+1)个采样点，其中N需满足

$N={\mathrm{kr}}_h=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{inc}}}{r}_h$

其中，k为波数，λ_inc为压电水声换能器辐射声波的波长，r_h为半球形全息面的半径。

S1.2获取全息面个测量点的声压的相位信息。选择位于压电水声换能器辐射面附近，与声源保持固定相位关系的点为参考点，使用针式水听器测量参考点的声压。为减小对入射声场的干扰，尽量选择可以获得的具有最小直径的针式水听器。通过计算全息面上各测量点声压和与参考点声压之间的互相关函数获取全息面上各点的相位。

S1.3利用全息面上声压和法向振速的叠加原理以及波数域的欧拉公式,通过声场分离算法从获取的声场复声压及振速信息中萃取出入射声场对应的分量p_h1和v_h1。

S1.4以全息面上入射声场引起的声压P_h1及振速V_h1为基础，确定换能器辐射面内部的等效源强。根据空间中任意一点的声压和振速可以由放置在辐射体内n个等效声源所产生的声场替代得到这一基本原理，全息面上所有m个测量点上入射声场对应的分量p_h1和v_h1表示成矩阵的形式为

P_h1=iρckG_hpQ   (1)

V_h1=G_hvQ   (2)

其中，Q为等效源强向量,G_hp和G_hv分别为等效源序列和声源表面声压或法向振速之间的传递矩阵，i为虚数单位，ρ为水的密度，c为水中声速。由于基于测量声压重建声场时，声源表面法向振速的重建精度通常远低于声压的重建精度，因此在重建换能器辐射声场和辐射面法向振速时时分别使用式(1)和(2)获取等效源强。对G_hp和G_hv进行奇异值分解分别计算其广义逆可得重建辐射声场声压及辐射面振速时的等效源强为

$Q=\frac{1}{\mathrm{i\ρck}}\mathrm{\Λdiag}{({\mathrm{\σ}}_1,{\mathrm{\σ}}_2,{\mathrm{\σ}}_3,\·\·\·{\mathrm{\σ}}_n)}^{-1}{\mathrm{\Γ}}^H{P}_{h1}$

Q=Λdiag(σ₁,σ₂,σ₃,…σ_n)^-1Γ^HV_h1

其中，Λ和Γ为酉矩阵，Γ^H为Γ的共轭转置，diag()为对角矩阵，σ_i为矩阵奇异值，满足σ₁>σ₂>…σ_n，以测量数据求等效源强为典型的声学逆问题，实际测量中的误差和噪声干扰等都在基于奇异值分解求解广义逆的过程中放大，从而影响计算精度，甚至造成重建和预测结果失真，所以通过Tikhonov正则化稳定求解过程可得

$Q=\frac{1}{\mathrm{i\ρck}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{{\mathrm{\σ}}_i^2+{\mathrm{\λ}}^2}\frac{{\mathrm{\Λ}}_i{P}_{h1}}{{\mathrm{\σ}}_i}{\mathrm{\Γ}}_i$

$Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{{\mathrm{\σ}}_i^2+{\mathrm{\λ}}^2}\frac{{\mathrm{\Λ}}_i{P}_{h1}}{{\mathrm{\σ}}_i}{\mathrm{\Γ}}_i$

其中λ>0为正则化参数。

S1.5根据等效源强在声场中所占的权重关系来重建换能器辐射面振速及辐射声场的声压分别为

$v_r\left(r_s\right)=-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\∂g(r_s,r_{q_j})}{\∂n}{q}_j$

$p_r\left(l\right)=\frac{1}{\mathrm{i\ρck}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}g(l,r_{q_j})q_j$

其中

为自由场的格林函数，当l=r_s时，p_r(l)=p_r(r_s)即为辐射面上的声压，q_j为等效源强中第j个分量。

如图3所示为本发明所述方法步骤S1.3中由全息面上振速及声压信息萃取入射声场分量具体实施的示意图。整个空间内的总声场由入射声场及反射声场两部分构成，根据等效声源理论，位于半球形全息面左侧的平面声源等效于换能器的声辐射对全息面上声压和法向振速的贡献，而位于半球形全息面右侧的半球面声源等效于空间内各方向的反射波对全息面上声压和法向振速的贡献。半球形全息面半径为a_h，半球顶点距左右声源距离分别为z_h1和z_h2。对于稳态的声场,全息面上任意点(x,y,z_h)的复声压为两组等效声源引起声压的叠加

p_h(x,y,z_h)=p_h1(x,y,z_h)+p_h2(x,y,z_h)   (3)

其中，p_h为全息面上任意一点的总声压，p_h1为入射声场引起的声压，p_h2为反射声场引起的声压。该点的的法向振速也可以表示为两个声源产生的质点振速的叠加，分别取点(x,y)处与入射波和反射波传播方向一致的法线方向为正方向，则

v_h(x,y,z_h)=v_h1(x,y,z_h)+v_h2(x,y,z_h)   (4)

其中，v_h为点(x,y)的的总法向振速，v_h1为入射声场引起的振速，v_h2为反射声场引起的振速。对式(3)和(4)两边分别取二维Fourier变换，并根据声压和质点振速的波数域关系

P_h1(k_x,k_y,z_h)=ρωV_h1(k_x,k_y,z_h)/k_z

P_h2(k_x,k_y,z_h)=ρωV_h2(k_x,k_y,z_h)/k_z

可得入射场单独在全息面上的波数域声压及振速，对两者分别进行二维反Fourier变换可以分离出入射声场在全息面上的声压为

$p_{h1}=\frac{1}{{8\mathrm{\π}}^2}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}[P_{h1}(k_x,k_y,z_h)+\mathrm{\ρ\ω}{V}_{h1}(k_x,k_y,z_h)/k_z]e^{i(k_x+k_y)}{\mathrm{dk}}_x{\mathrm{dk}}_y$

$v_{h1}=\frac{1}{{8\mathrm{\π}}^2}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}[P_{h1}(k_x,k_y,z_h)k_z/\mathrm{\ρ\ω}+V_{h1}(k_x,k_y,z_h)]e^{i(k_x+k_y)}{\mathrm{dk}}_x{\mathrm{dk}}_y$

如图4所示为本发明所述压电水声换能器声辐射模态测量系统的结构框图。本发明所述系统由玻璃水槽1、带有PXI总线的工控机2，基于PXI总线的换能器激励模块3、声压和振速采集模块4及三维运动平台5组成。这种基于PXI总线的模块化插卡式结构，可以根据用户的具体需求选择不同成本及附加功能的任务模块，丰富的预留总线接口保证了集成应用信息流的畅通，可以实现与其它测量设备的对接。其中玻璃水槽1为声辐射模态测量提供压电水声换能器的工作环境，其尺寸为60×60×30(cm³),由于其尺寸的限制，矢量水听器获得的全息面上声压和振速不可避免的混有壁面反射波的成分，需通过声场分离算法萃取出入射场的信息，如果条件允许可选择更大尺寸的水槽并在其内壁覆盖针对换能器工作频率的吸声材料以较少反射波。带有PXI总线的工控机2用于设置信号发生器波形、频率、幅值，分析对象属性、空气密度、声速、采样率、采集时长、扫描方式、全息面位置及尺寸等系统参数，并对采集数据进行处理、分析、显示，此外还为整套设备提供总线接口。

基于PXI总线的换能器激励模块3由依次连接的基于PXI总线的信号发生器6、线性功率放大器7及自动阻抗匹配仪8组成，所述基于PXI总线的信号发生器6和带有PXI总线的工控机2的PXI总线接口连接，所述自动阻抗匹配仪8和置于玻璃水槽1中的换能器连接，其中基于PXI总线的信号发生器6用于产生驱动换能器的正弦信号，经线性功率放大器和自动阻抗匹配仪后加载于换能器上，保证换能器处于最佳工作状态，换能器加载的正弦电压峰峰值可达300V。

声压和振速采集模块4由矢量水听器10和针式水听器9，以及与矢量水听器10和针式水听器9均连接的调理和预放大单元11及基于PXI总线的高速数据采集处理卡12组成，所述基于PXI总线的高速数据采集处理卡12和带有PXI总线的工控机2的PXI总线接口连接；其中矢量水听器10用于测量辐射声场声压和振速，将声场的声压和振速转换成电压信号，并经过调理和预放大单元11传输给基于PXI总线的高速数据采集处理卡12；针式水听器9用于测量位于声源附近参考点的声压信号，声压转换为电压信号后同样经过调理和预放大单元11传输给基于PXI总线的高速数据采集处理卡12；基于PXI总线的高速数据采集处理卡12用于采集调理、预放大后的矢量水听器9及针式水听器10的输出信号，将模拟电压信号转换为数字量以一定的文件格式保存进计算机中。

三维运动平台5用于带动安装于其上的矢量水听器运动，实现全息面上数据的采集，其主要由依次连接的基于PLC的三维移动平台控制器13、步进电机驱动器14、步进电机15及机械本体16组成。所述三维移动平台控制器13和带有PXI总线的工控机2的总线接口连接，所述矢量水听器10安装在机械本体16上。带有PXI总线的工控机2根据用户设置的扫描方式、全息面位置及尺寸自动生成各扫描点的空间位置，并将这些扫描点空间位置对应的运动参数通过串口总线发送至基于PLC的三维移动平台控制器13，基于PLC的三维移动平台控制器13输出相应的控制指令给步进电机驱动器14，步进电机驱动器14输出脉冲信号驱动步进电机15带动机械本体16及固定于动机械本体16上的矢量水听器运动。

步进电机驱动器14由X轴步进电机驱动器、Y轴步进电机驱动器和Z轴步进电机驱动器组成。

步进电机15包括由与X轴步进电机驱动器、Y轴步进电机驱动器和Z轴步进电机驱动器连接的X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴步进电机组成。

机械本体16包括由与X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴步进电机连接的X轴丝杠执行机构、Y轴丝杠执行机构和Z轴丝杠执行机构组成。

Claims (8)

1.压电水声换能器声辐射模态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用基于声压和振速的联合近场声全息重构换能器辐射面的振速及辐射声场信息；

步骤:2：以换能器辐射面声压和振速的重建数据为基础，通过单元辐射器法求取近场声辐射算子矩阵；

步骤:3：使用近场声辐射算子矩阵及换能器辐射面振速将换能器的辐射声功率表示为二次型矩阵，然后利用矩阵的正定和共扼性对二次型矩阵进行特征值分解最终获得压电水声换能器的声辐射模态。

2.根据权利要求1所述的压电水声换能器声辐射模态测量方法，其特征在于，步骤1所述的采用基于声压和振速的联合近场声全息重构换能器辐射面的振速及辐射声场信息，具体包括如下步骤：

①测量换能器半辐射空间内包含所有辐射方向的半球形全息面上的声压及法向振速；

②获取半球形全息面上各测量点声压的相位信息；

③利用半球形全息面上声压和法向振速的叠加原理以及波数域的欧拉公式,通过声场分离算法从由①、②两步骤获取的声场复声压及振速信息中萃取出入射声场对应的分量，减小可能存在的反射带来的重建误差；

④以步骤③获得的入射声场的声压及振速信息为基础，确定换能器辐射面内部的等效源强；

⑤根据等效源强在声场中所占的权重关系来重建换能器辐射面振速及声场的声压。

3.根据权利要求2所述的压电水声换能器声辐射模态测量方法，其特征在于，步骤①所述的测量换能器半辐射空间内包含所有辐射方向的半球形全息面上的声压及法向振速，具体方法为：

三维运动平台带动矢量水听器沿包含换能器所有辐射方向的半球形全息面逐点扫描，同时测量声压及法向振速；为满足不失真条件至少需要4(N+1)²个采样点，使用等角度采样策略，在球坐标系的θ和φ方向分别取2(N+1)个采样点，其中N需满足

$N={\mathrm{kr}}_h=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{inc}}}{r}_h$

其中，k为波数，λ_inc为压电水声换能器辐射声波的波长，r_h为半球形全息面的半径。

4.根据权利要求2所述的压电水声换能器声辐射模态测量方法，其特征在于，步骤②所述的获取全息面各测量点的声压的相位信息，具体方法为：

使用针式水听器测量声场中一个固定于换能器辐射面附近，与声源保持预设相位关系的参考点声压，通过计算全息面上各测量点声压和与参考点声压之间的互相关函数获取全息面上各点的相位，为尽量减小对入射声场的干扰，尽量选择能够获得的具有最小直径的针式水听器。

5.实现权利要求1至4任一项所述方法的压电水声换能器声辐射模态测量系统，其特征在于，包括玻璃水槽（1）、带有PXI总线的工控机（2），基于PXI总线的换能器激励模块（3）、声压和振速采集模块（4）及三维运动平台（5）；

所述带有PXI总线的工控机（2）用于设置信号发生器波形、频率、幅值，分析对象属性、空气密度、声速、采样率、采集时长、扫描方式系统参数，并对采集数据进行处理、分析、显示，此外还为基于PXI总线的换能器激励模块（3）、声压和振速采集模块（4）及三维运动平台（5）提供总线接口；

所述基于PXI总线的换能器激励模块（3）由依次连接的基于PXI总线的信号发生器（6）、线性功率放大器（7）及自动阻抗匹配仪（8）组成，所述基于PXI总线的信号发生器（6）和带有PXI总线的工控机（2）的PXI总线接口连接，所述自动阻抗匹配仪（8）和置于玻璃水槽（1）中的换能器连接，其中基于PXI总线的信号发生器（6）用于产生换能器驱动信号，经线性功率放大器（7）和自动阻抗匹配仪（8）后加载于换能器上，保证换能器处于最佳工作状态；

所述声压和振速采集模块（4）由矢量水听器（10）和针式水听器（9），以及与矢量水听器（10）和针式水听器（9）均连接的调理和预放大单元（11）及基于PXI总线的高速数据采集处理卡（12）组成，所述基于PXI总线的高速数据采集处理卡（12）和带有PXI总线的工控机（2）的PXI总线接口连接，其中矢量水听器（10）用于测量辐射声场声压和振速，将声场的声压和振速转换成电压信号，并经过调理和预放大单元（11）传输给基于PXI总线的高速数据采集处理卡（12）；针式水听器（9）用于测量位于声源附近参考点的声压信号，声压转换为电压信号后同样经过调理和预放大单元（11）传输给基于PXI总线的高速数据采集处理卡（12）；基于PXI总线的高速数据采集处理卡（12）用于采集调理、预放大后的矢量水听器（10）及针式水听器（9）的输出信号，将模拟电压信号转换为数字量以一定的文件格式保存进计算机中；

所述三维运动平台（5）用于带动安装于其上的矢量水听器（10）运动，实现测量面上数据的采集，其主要由依次连接的基于PLC的三维移动平台控制器（13）、步进电机驱动器（14）、步进电机（15）及机械本体（16）组成，所述三维移动平台控制器（13）和带有PXI总线的工控机（2）的总线接口连接，所述矢量水听器（10）安装在机械本体（16）上。

6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述步进电机驱动器（14）由X轴步进电机驱动器、Y轴步进电机驱动器和Z轴步进电机驱动器组成。

7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述步进电机（15）包括由与X轴步进电机驱动器、Y轴步进电机驱动器和Z轴步进电机驱动器连接的X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴步进电机组成。

8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述机械本体（16）包括由与X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴步进电机连接的X轴丝杠执行机构、Y轴丝杠执行机构和Z轴丝杠执行机构组成。

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