CN104236693A - 一种半消声水罐中测量超声功率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半消声水罐中测量超声功率的装置及方法，主要包括半消声水罐和电子仪表，半消声水罐包括带有刻度线的透明圆管、上盖板和下盖板，反射靶由定位于上盖板的细链固定后悬浮在半消声水罐内，超声发射器固定在上盖板的中部位置的水面上，超声发射器的辐射面没入水下，自半消声水罐上方向下发射，用于密封透明圆管底部的下盖板上敷贴有吸声材料层，吸收入射到下盖板的声波。本发明有益的效果：利用反射靶在此水罐内开展超声功率测量，在满足一定的距离条件下，可以避免反射波对测量结果产生影响，使测量过程清晰可辨，利用本成果开展超声功率测量，具有随时掌握现场状态，剖析异常，提高测量有效性和工作效率的显著特点。

Description

一种半消声水罐中测量超声功率的装置及方法

技术领域

本发明涉及超声功率测量领域，更确切地说，是一种半消声水罐中测量超声功率的装置及方法。

背景技术

声功率是发射换能器和基阵设计的主要技术指标之一，常用的校准方法有声压法、声强法和近场法。而对于几百kHz水声发射器声功率的校准，随着频率增高，波长变短，指向性变得更尖锐，远场测量距离更远，对检测水听器的尺寸、一致性和线度都提出了更高的要求，常用的校准方法已不太适用。

国际电工委员会的超声技术委员会推荐辐射压力法为兆赫兹频率范围内液体中超声功率测量的方法。辐射压力法是一种绝对的基本测量技术，没有近场和远场的限制，能直接测得总的辐射声功率值，且测量装置简单，易于操作和校准。利用反射靶进行功率测量时，充满水的测量水罐内要布置辐射声波的发射器和能截取全部辐射力的反射靶。通常为了避免侧壁反射波对测量结果的影响，水罐圆周和上下内表面都要贴敷吸声材料。准备工作阶段，只能从水罐上部观察、调整靶的初始状态；全覆盖状态下，发射器与反射靶的距离无法确认，太近，会使反射波直接回到发射器表面，而工作距离太远，反射靶可能就无法截取到绝大多数的辐射声波，这样就会影响校准结果，因此一般需要改变多个距离测量数据来确保结果的准确性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种半消声水罐中测量超声功率的装置及方法，它是超声功率测量中不可或缺的实用方法之一，在避免反射波对测量结果影响的前提下，使测量过程清晰可辨，可随时掌握现场状态，剖析异常。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种半消声水罐中测量超声功率的装置，主要包括半消声水罐和电子仪表，半消声水罐包括带有刻度线的透明圆管、上盖板和下盖板，反射靶由定位于上盖板的细链固定后悬浮在半消声水罐内，超声发射器固定在上盖板的中部位置的水面上，超声发射器的辐射面没入水下，自半消声水罐上方向下发射，用于密封透明圆管底部的下盖板上敷贴有吸声材料层，吸收入射到下盖板的声波，上盖板下表面的空闲位置敷贴有吸声材料层，吸收入射到上盖板的声波；辐射出来的信号大部分经由反射靶反射，到达半消声水罐侧壁后再次反射到达水面，被吸声材料层所吸收，电子仪表通过检测反射靶所受到的辐射力计算出辐射声功率值。

所述的反射靶包括底靶和反射膜，为圆锥形凹形全反射靶，靶面直径至少为超声发射器直径的1.5倍。

所述电子仪表由微力测量设备组成，采用精密分析天平或位移检测设备。

该装置还包括减振系统和力稳定系统，其中减振系统用来降低系统的谐振频率，减少环境振动干扰影响；力稳定系统用于消除由于温度漂移、水体扰动、水汽蒸发及水槽中气泡的存在而造成数据不稳定的问题。

这种半消声水罐中测量超声功率的装置的测量方法，该方法包括如下步骤：

1、计算反射靶到超声发射器之间的最短距离：超声发射器一侧边缘发射的声波经反射靶反射后恰好从另一边缘穿出而不落在超声发射器上时，超声发射器的辐射面到反射靶的靶顶之间的距离为从反射靶到超声发射器之间的最短距离L_min；

$L_{\min }=d.\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-2\mathrm{\θ})+\frac{d}{2}\mathrm{ctg\θ}---\left(1\right)$

式(1)中，d为超声发射器的有效尺寸，2θ为反射靶的圆锥顶角；

2、从半消声水罐的上端开口处倾斜着把超声发射器放入充满水的半消声水罐中，用夹具固定超声发射器并使辐射面没入水中；

3、从半消声水罐的侧壁观察超声发射器是否存在不在反射靶的正上方、辐射面倾斜或附有气泡这些不理想的安装状态，若有，重新安装超声发射器，驱赶气泡并调整换能器位于反射靶的正上方，辐射面铅直向下；

4、依靠半消声水罐上的刻度线，上下调整超声发射器，使超声发射器与反射靶之间的距离为L_min+5mm--L_min+20mm之间，记下反射靶的初始位置；

5、超声发射器发射超声波，反射靶在新的位置平衡稳定后，利用读数设备检测并计算出反射靶的位移x，根据公式即可得到超声发射器的辐射声功率；式中，P为超声发射器辐射的总声功率，c为超声波在液体中的传播速度，x为反射靶的位移，n为反射靶上细链的数目，ρ₁为细链在水中的密度，m₀为空气中每米长细链的质量，g为重力加速度，ρ₀为细链在空气中的密度，α为靶面法线与入射声束之间的夹角。

本发明的有益效果为：

(1)材质透明无遮挡，可有效实施发射器与反射靶的精确调准，确保靶位铅直无偏移；

(2)材质透明无遮挡，便于发现藏匿的气泡，进行有效驱除，保证校准结果的准确可靠；

(3)使用透明的非金属材料制作测量水罐，可以避免电磁干扰对测量造成的影响。

(4)水面上下底部全方位覆盖吸声材料，有效吸收反射波。

附图说明

图1为确定从反射靶到超声发射器之间最短距离L_min的示意图；

图2为反射靶的示意图；

图3为本发明的装置结构示意图。

附图中的标号分别为：半消声水罐1，反射靶2，底靶2-1，反射膜2-2，上盖板3，细链4，下盖板5，超声发射器6，吸声材料层7，刻度线8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

如图1-3所示，这种半消声水罐中测量超声功率的装置，实现超声辐射声功率的测量，上下内表面贴敷足够吸声材料，侧壁光滑透明不处理的圆柱型水罐，利用反射靶在此水罐内开展超声功率测量，具有可全方位确认靶的初始状态，实时观察测量过程，提高测量有效性和工作效率的显著特点。主要包括半消声水罐1和电子仪表，半消声水罐1包括带有刻度线8的透明圆管、上盖板3和下盖板5，透明圆管侧壁不贴敷吸声材料，保持透明光滑不处理，便于观察换能器是否存在不在靶的正上方、辐射面倾斜、附有气泡等不理想的安装状态。反射靶2由定位于上盖板3的细链固定后悬浮在半消声水罐1内，超声发射器6固定在上盖板3的中部位置的水面上，超声发射器6的辐射面没入水下，自半消声水罐1上方向下发射，用于密封透明圆管底部的下盖板5上敷贴有吸声材料层7，吸收入射到下盖板5的声波，上盖板3下表面的空闲位置敷贴有吸声材料层7，吸收入射到上盖板3的声波；辐射出来的信号大部分经由反射靶2反射，到达半消声水罐1侧壁后再次反射到达水面，被吸声材料层7所吸收，电子仪表通过检测反射靶2所受到的辐射力计算出辐射声功率值。

所述的反射靶2包括底靶2-1和反射膜2-2，为圆锥形凹形全反射靶，为了能够收集到绝大多数的辐射声波，靶面直径至少为超声发射器6直径的1.5倍。

所述电子仪表由微力测量设备组成，采用精密分析天平或位移检测设备。该装置还包括减振系统和力稳定系统，其中减振系统用来降低系统的谐振频率，减少环境振动干扰影响；力稳定系统用于消除由于温度漂移、水体扰动、水汽蒸发及水槽中气泡的存在而造成数据不稳定的问题。

这种半消声水罐中测量超声功率的装置的测量方法，具体针对一个有效直径为50mm的圆柱形超声发射器辐射声功率的测量，该方法包括如下步骤：

1、首先根据超声发射器6的敏感元件尺寸，选择合适尺寸的反射靶。一般说来，反射靶的直径至少为超声发射器6直径的1.5倍。现使用圆锥顶角2θ为130°，开口直径为100mm的圆锥形凹形反射靶，使用3根细链(采用银链)与上盖板固定。

2、根据图1，计算反射靶2到超声发射器6之间的最短距离：超声发射器6一侧边缘发射的声波经反射靶2反射后恰好从另一边缘穿出而不落在超声发射器6上时(为了使发射的声波经反射靶2反射后不再落在超声发射器6上)，超声发射器6的辐射面到反射靶2的靶顶之间的距离为从反射靶2到超声发射器6之间的最短距离L_min；

$L_{\min }=d.\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-2\mathrm{\θ})+\frac{d}{2}\mathrm{ctg\θ}---\left(1\right)$

式(1)中，d为超声发射器6的有效尺寸，2θ为反射靶2的圆锥顶角；

现圆锥形反射靶的顶角2θ＝130°，则半顶角θ＝65°，发射换能器直径d＝50mm。由公式1可计算出最短距离为53.7mm。

$L_{\min }=50.\mathrm{ctg}(180-130)+\frac{50}{2}\mathrm{ctg}65=53.7\mathrm{mm}$

3、从半消声水罐1的上端开口处倾斜着把超声发射器6放入充满水的半消声水罐1中，用夹具固定超声发射器6并使辐射面没入水中；

4、从半消声水罐1的侧壁观察超声发射器6是否存在不在反射靶2的正上方、辐射面倾斜或附有气泡这些不理想的安装状态，若有，重新安装超声发射器6，驱赶气泡并调整换能器位于反射靶2的正上方，辐射面铅直向下；

5、依靠半消声水罐1上的刻度线8，上下调整超声发射器6，使超声发射器6与反射靶2之间的距离为L_min+5mm--L_min+20mm之间，记下反射靶2的初始位置；

6、超声发射器6发射超声波，反射靶2在新的位置平衡稳定后，利用读数设备检测并计算出反射靶2的位移x，根据公式即可得到超声发射器6的辐射声功率；式中，P为超声发射器6辐射的总声功率，c为超声波在液体中的传播速度，x为反射靶2的位移，n为反射靶2上细链的数目，ρ₁为细链在水中的密度，m₀为空气中每米长细链的质量，g为重力加速度，ρ₀为细链在空气中的密度，α为靶面法线与入射声束之间的夹角。

本实施例中，n＝3，取ρ₀＝10.5×10³kg/m³，c＝1500m/s，g＝9.8m/s²，ρ₁＝9.5×10³kg/m³，假定m₀＝5×10^-3kg/m，x＝0.03m，则可计算得到超声辐射声功率为P＝1.82W。

在半消声水罐中利用凹形全反射靶测量超声辐射声功率，可全方位确认靶的初始状态，实时观察测量过程，提高测量有效性和工作效率。在0.5MHz～5MHz频率范围内开展水声声功率测量工作，可为工作在该频段的水声换能器阵研制过程中的实验测试提供必要的条件、提供更完备的手段，为声纳设备的研制和生产提供技术保障；也可为越来越多的航道测绘、海洋开发、渔业捕捞等行业的水下探测器提供声功率性能检测服务，为国民经济的发展作出贡献。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种半消声水罐中测量超声功率的装置，其特征在于：主要包括半消声水罐(1)和电子仪表，半消声水罐(1)包括带有刻度线(8)的透明圆管、上盖板(3)和下盖板(5)，反射靶(2)由定位于上盖板(3)的细链固定后悬浮在半消声水罐(1)内，超声发射器(6)固定在上盖板(3)的中部位置的水面上，超声发射器(6)的辐射面没入水下，自半消声水罐(1)上方向下发射，用于密封透明圆管底部的下盖板(5)上敷贴有吸声材料层(7)，吸收入射到下盖板(5)的声波，上盖板(3)下表面的空闲位置敷贴有吸声材料层(7)，吸收入射到上盖板(3)的声波；辐射出来的信号大部分经由反射靶(2)反射，到达半消声水罐(1)侧壁后再次反射到达水面，被吸声材料层(7)所吸收，电子仪表通过检测反射靶(2)所受到的辐射力计算出辐射声功率值。

2.根据权利要求1所述的半消声水罐中测量超声功率的装置，其特征在于：所述的反射靶(2)包括底靶(2-1)和反射膜(2-2)，为圆锥形凹形全反射靶，靶面直径至少为超声发射器(6)直径的1.5倍。

3.根据权利要求1所述的半消声水罐中测量超声功率的装置，其特征在于：所述电子仪表由微力测量设备组成，采用精密分析天平或位移检测设备。

4.根据权利要求1所述的半消声水罐中测量超声功率的装置，其特征在于：该装置还包括减振系统和力稳定系统，其中减振系统用来降低系统的谐振频率，减少环境振动干扰影响；力稳定系统用于消除由于温度漂移、水体扰动、水汽蒸发及水槽中气泡的存在而造成数据不稳定的问题。

5.一种采用如权利要求1所述的半消声水罐中测量超声功率的装置的测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)计算反射靶(2)到超声发射器(6)之间的最短距离：超声发射器(6)一侧边缘发射的声波经反射靶(2)反射后恰好从另一边缘穿出而不落在超声发射器(6)上时，超声发射器(6)的辐射面到反射靶(2)的靶顶之间的距离为从反射靶(2)到超声发射器(6)之间的最短距离L_min；

$L_{\min }=d.\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-2\mathrm{\θ})+\frac{d}{2}\mathrm{ctg\θ}---\left(1\right)$

式(1)中，d为超声发射器(6)的有效尺寸，2θ为反射靶(2)的圆锥顶角；

(2)从半消声水罐(1)的上端开口处倾斜着把超声发射器(6)放入充满水的半消声水罐(1)中，用夹具固定超声发射器(6)并使辐射面没入水中；

(3)从半消声水罐(1)的侧壁观察超声发射器(6)是否存在不在反射靶(2)的正上方、辐射面倾斜或附有气泡这些不理想的安装状态，若有，重新安装超声发射器(6)，驱赶气泡并调整换能器位于反射靶(2)的正上方，辐射面铅直向下；

(4)依靠半消声水罐(1)上的刻度线(8)，上下调整超声发射器(6)，使超声发射器(6)与反射靶(2)之间的距离为L_min+5mm--L_min+20mm之间，记下反射靶(2)的初始位置；

(5)超声发射器(6)发射超声波，反射靶(2)在新的位置平衡稳定后，利用读数设备检测并计算出反射靶(2)的位移x，根据公式即可得到超声发射器(6)的辐射声功率；式中，P为超声发射器(6)辐射的总声功率，c为超声波在液体中的传播速度，x为反射靶(2)的位移，n为反射靶(2)上细链的数目，ρ₁为细链在水中的密度，m₀为空气中每米长细链的质量，g为重力加速度，ρ₀为细链在空气中的密度，α为靶面法线与入射声束之间的夹角。