CN104237870B - 一种在空气中测试低频线列阵声学性能的装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在空气中测试低频线列阵声学性能的装置及测试方法，包括音频发生器、功率放大器、能产生特定声场的声校准器、测量放大器和数据采集系统，其中声校准器包括双层的壳体、输入管和测试壳体。本发明的有益效果为：解决了在现有的校准条件下，低频线列阵声学性能的测试所面临的无法在有限水域内自由场条件下实现低频测试需求，使低频长线列阵可以在空气中利用音频信号激励扬声器产生测试所需的声场条件对其阵元的声学性能的标校，从而实现对整个阵列声学性能的测试。利用声校准器的移动便利，可以实现在实验室或现场条件下对线列阵声学性能的测试。

Description

一种在空气中测试低频线列阵声学性能的装置及测试方法

技术领域

本发明涉及声学传感器参数测试领域，更确切地说，是一种在空气中测试低频线列阵声学性能的装置及测试方法。

背景技术

随着商用和军用领域的发展，利用低频水听器组成的长线列阵列来获取海洋声学环境数据变得越来越重要。由于线列阵的长度有上百米，按照常规的自由场远场校准技术要求，测试距离非常远，在实验室条件下是无法对其进行校准的，如果到开阔的水域中去测量，则不仅实施非常困难，而且代价高昂。同时，由于测试距离很大，往往难于保证声场的均匀和各向同性及位置方位的精确，加上信噪比的降低，也极大地影响了测试精度，只能对灵敏度和方向性进行粗略估计，而且无法掌握线列阵的性能随温度和压力的变化趋势。另外，随着长线列阵的使用，在许多应用场合，阵列也由一维发展到二维的。为了提高对阵列阵元接收信息的分析能力，需要获取在线阵元的相位和灵敏度信息，且要求阵元的相位和灵敏度具备比较好的一致性。因此，国外在上世纪七、八十年代前后相继发展了几种线列阵校准的方法：1)缠绕法，可以校准线列阵的灵敏度，不能校准线列阵的方向性；2)空气箱法，校准的下限频率比较低，但是同样无法校准线列阵的方向性；3)管中校准法，不仅可以校准拖曳线列阵或阵元组的灵敏度，也可以校准它的远场指向性。同时，还可以控制管中的压力和温度。但管中校准装置校准时阵列安装很不方便，只能在实验室中应用。上述所有对水听器阵阵元的评估方法和设备中，许多不适用于生产设施，一些设备需要在流体媒质中进行，其它的需要参考水听器。在测试中，这些参考水听器阵元的特性会随温度、使用和时间发生变化，还有其它的参考会无法消除因水听器阵元的密布引起不想要的信号的产生。这就是说，这些参考不能提供简单的、容易的设备用于确定水听器阵列的单个阵元是否准确安装。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，满足长线列水听器阵列及其阵元在外场或生产条件下声学性能的测试需求，解决测试方法或测试所需声场条件和测试装置问题，而提供一种在空气中测试低频线列阵声学性能的装置，是一种适合在实验室或现场条件下在空气中对长线列阵声学性能进行测试所需装置及测试方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种在空气中测试低频线列阵声学性能的装置，包括音频发生器、功率放大器、能产生特定声场的声校准器、测量放大器和数据采集系统，其中声校准器包括双层的壳体、输入管和测试壳体，双层的壳体内设置有压力波腔A，音频发生器通过功率放大器与声校准器的输入管的一端相连接构成发射系统，音频信号发生器产生音频信号，通过激励功率放大器、声校准器的扬声器产生测试所需的声场；输入管的另一端通过扬声器与压力波腔A相连通，压力波腔A通过声波传播通道穿过壳体与测试壳体内的压力波腔B相连通，压力波腔B呈对称的倒圆台体结构并与用于放置被测线列阵的测试腔体相连通；被测线列阵穿过测试腔体使被测阵元在声场的环绕作用下接收信号，接收信号后通过测量放大器传送给数据采集系统，通过信号的测量放大后经数据采集后获得被测数据；被测线列阵、测量放大器与数据采集系统组成信号的接收系统。

更进一步的，所述的测试腔体、压力波腔B与测试壳体之间的空腔中设有隔声材料层。

这种采用所述的在空气中测试低频线列阵声学性能的装置的测试方法，该方法包括如下步骤：

(1)、把被测线列阵安装在声校准器的测试腔体中，使被测阵元的中心正对测试腔体的透声口；

(2)、按照自由场测试原理事先设定的信号，使信号满足p(θ,z)＝p₀e^jkzsinθ条件，通过改变入射角度θ来实现对信号的控制，通过音频发生器发生所需的信号驱动声校准器中的扬声器，而被测线列阵的被测阵元接收信号，通过信号调理后进行数据采样，并对所采信号进行FFT变换，获取被测信号的频率和信号的幅值与相位，并按照测试内容保存数据；

(3)更换被测阵元，重复步骤(1)和(2)；

(4)、按照步骤(3)中所设定的信号和改变入射角度θ的规律来控制信号，并驱动声校准器中的扬声器，而原先用于接收信号的被测线列阵的被测阵元被标准传声器所替代，通过同样的信号调理后对信号进行采样和FFT变换，获取被测信号的频率和信号的幅度与相位，并保存测试数据；

(5)、把每个被测阵元在相同激励信号下被测线列阵接收到的信号与标准传声器所测的信号进行比较，得到不同入射角条件下被测阵元接收到信号的幅值与相位，通过对线列阵阵元进行成阵处理得到整个阵列所需的灵敏度和指向性参数。

整个测试装置的原理：通过研制能提供测试声场的声校准器，利用声校准器所建立的空气声场实现对低频长线列阵阵元的测试，并利用空气中自由场原理来实现对整个阵列性能的测试。音频信号发生器产生音频信号，通过功放激励声校准器的扬声器产生测试所需的声场，线列阵穿过声校准器的测试腔体，使被测阵元在声场的环绕作用下接收信号，通过信号的测量放大后经数据采集后获得被测数据。声校准器测试腔体的声场可以事先测试，因此可以得到被测阵元的性能。由于声校准器产生的声场是恒定的，因此对于整个阵列的每个阵元来说，相当于处于近似的自由场平面波场中。通过特定的自由场测试方法就可以实现对整个阵列性能的测试。

自由场测试原理

在满足自由声场的条件后，根据自由场的校准原理，线列阵在自由场中接收到一个频率为f，入射角为θ的平面波取如附图1所示的坐标系，则入射平面波可以表示为：

p(x,z)＝p₀e^{j(-kxcosθ+kzsinθ)} (1)

式中p₀为入射平面波幅度，k为自由场波数。设线列阵位于Z轴上，则阵上声压分布为：

p(0,z)＝p₀e^jkzsinθ (2)

因此，在自由场中，以θ角入射的平面波将在阵上形成幅度相同、相位沿阵方向每隔λ/sinθ相差2π的声压分布。

为了在空气自由场中模拟产生以一定角度θ入射的自由场平面波场，须使发射声压沿轴向按公式(2)分布。为此，在线列阵的阵元所在位置对应的发射换能器所产生的声场应满足公式(2)的条件，当不同的位置采用不同的驱动信号来实现，从而在自由场中模拟出特定入射角的自由场平面波。当用专门研制的声校准器时，针对每个被校线列阵中阵元的位置，只要模拟出不同入射角和不同位置所对应的特定入射平面波，同样也可以测量阵列的灵敏度和指向性。

本发明的有益效果为：解决了在现有的校准条件下，低频线列阵声学性能的测试所面临的无法在有限水域内自由场条件下实现低频测试需求，使低频长线列阵可以在空气中利用音频信号激励扬声器产生测试所需的声场条件对其阵元的声学性能的标校，从而实现对整个阵列声学性能的测试。利用声校准器的移动便利，可以实现在实验室或现场条件下对线列阵声学性能的测试。

附图说明

图1为以θ角入射的平面波在Z轴上的声压分布示意图；

图2为低频长线列阵空气中测试系统方框示意图。

附图中的标号分别为：声校准器1，被测线列阵2，输入管3，扬声器4，压力波腔A5，声波传播通道6，压力波腔B7，测试腔体8，壳体9，测试壳体10，隔声材料层11。

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2所示，这种在空气中测试低频线列阵声学性能的装置，包括音频发生器、功率放大器、能产生特定声场的声校准器1、测量放大器和数据采集系统，其中声校准器1包括双层的壳体9、输入管3和测试壳体10，双层的壳体9内设置有压力波腔A5，音频发生器通过功率放大器与声校准器1的输入管3的一端相连接构成发射系统，音频信号发生器产生音频信号，通过激励功率放大器、声校准器1的扬声器4产生测试所需的声场；输入管3的另一端通过扬声器4与压力波腔A5相连通，压力波腔A5通过声波传播通道6穿过壳体9与测试壳体10内的压力波腔B7相连通，压力波腔B7呈对称的倒圆台体结构并与用于放置被测线列阵2的测试腔体8相连通；被测线列阵2穿过测试腔体8使被测阵元在声场的环绕作用下接收信号，接收信号后通过测量放大器传送给数据采集系统，通过信号的测量放大后经数据采集后获得被测数据；被测线列阵2、测量放大器与数据采集系统组成信号的接收系统。所述的测试腔体8、压力波腔B7与测试壳体10之间的空腔中设有隔声材料层11。

本发明所述的这种采用在空气中测试低频线列阵声学性能的装置的测试方法，该方法包括如下步骤：

(1)、把被测线列阵2安装在声校准器1的测试腔体8中，使被测阵元的中心正对测试腔体8的透声口；

(2)、按照自由场测试原理事先设定的信号，使信号满足p(θ,z)＝p₀e^jkzsinθ条件，通过改变入射角度θ来实现对信号的控制，通过音频发生器发生所需的信号驱动声校准器1中的扬声器4，而被测线列阵2的被测阵元接收信号，通过信号调理后进行数据采样，并对所采信号进行FFT变换，获取被测信号的频率和信号的幅值与相位，并按照测试内容保存数据；

(3)更换被测阵元，重复步骤(1)和(2)；

(4)、按照步骤(3)中所设定的信号和改变入射角度θ的规律来控制信号，并驱动声校准器1中的扬声器4，而原先用于接收信号的被测线列阵2的被测阵元被标准传声器所替代，通过同样的信号调理后对信号进行采样和FFT变换，获取被测信号的频率和信号的幅度与相位，并保存测试数据；

(5)、把每个被测阵元在相同激励信号下被测线列阵2接收到的信号与标准传声器所测的信号进行比较(被测线列阵的被测阵元被均匀的声场所包围，只要利用标准传声器测出该处声场的大小，并与被测阵元所测结果进行比较)，得到不同入射角条件下被测阵元接收到信号的幅值与相位，通过对线列阵阵元进行成阵处理得到整个阵列所需的灵敏度和指向性参数。

整个低频长线列阵的空气中校准装置，除了需要专门研制的声校准器外，其它的设备都是常用的设备。整套测试装置可以用于实验室也可以用于外场条件。由测试单个被测阵元来实现对整条线列阵声学性能的测试，整个测试装置不仅可以测试线列阵阵元的性能，还能按照自由场的测试原理设置相应的发射信号参数测试每个阵元，最后得到整条线列阵的灵敏度和指向性参数。

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 (1)

1.一种采用在空气中测试低频线列阵声学性能的装置的测试方法，其特征在于：所述的在空气中测试低频线列阵声学性能的装置，包括音频发生器、功率放大器、能产生特定声场的声校准器(1)、测量放大器和数据采集系统，其中声校准器(1)包括双层的壳体(9)、输入管(3)和测试壳体(10)，双层的壳体(9)内设置有压力波腔A(5)，音频发生器通过功率放大器与声校准器(1)的输入管(3)的一端相连接构成发射系统，音频信号发生器产生音频信号，通过激励功率放大器、声校准器(1)的扬声器(4)产生测试所需的声场；输入管(3)的另一端通过扬声器(4)与压力波腔A(5)相连通，压力波腔A(5)通过声波传播通道(6)穿过壳体(9)与测试壳体(10)内的压力波腔B(7)相连通，压力波腔B(7)呈对称的倒圆台体结构并与用于放置被测线列阵(2)的测试腔体(8)相连通；被测线列阵(2)穿过测试腔体(8)使被测阵元在声场的环绕作用下接收信号，接收信号后通过测量放大器传送给数据采集系统，通过信号的测量放大后经数据采集后获得被测数据；被测线列阵(2)、测量放大器与数据采集系统组成信号的接收系统；

该方法包括如下步骤：

(1)、把被测线列阵(2)安装在声校准器(1)的测试腔体(8)中，使被测阵元的中心正对测试腔体(8)的透声口；

(2)、按照自由场测试原理事先设定的信号，使信号满足p(θ,z)＝p₀e^jkzsinθ条件，通过改变入射角度θ来实现对信号的控制，通过音频发生器发生所需的信号驱动声校准器(1)中的扬声器(4)，被测线列阵(2)的被测阵元接收信号，通过信号调理后进行数据采样，并对所采信号进行FFT变换，获取被测信号的频率和信号的幅值与相位，并按照测试内容保存数据；

(3)更换被测阵元，重复步骤(1)和(2)；

(4)、按照步骤(3)中所设定的信号和改变入射角度θ的规律来控制信号，并驱动声校准器(1)中的扬声器(4)，而原先用于接收信号的被测线列阵(2)的被测阵元被标准传声器所替代，通过同样的信号调理后对信号进行采样和FFT变换，获取被测信号的频率和信号的幅度与相位，并保存测试数据；

(5)、把每个被测阵元在相同激励信号下被测线列阵(2)接收到的信号与标准传声器所测的信号进行比较，得到不同入射角条件下被测阵元接收到信号的幅值与相位，通过对线列阵阵元进行成阵处理得到整个阵列所需的灵敏度和指向性参数。