CN105181123B - 一种圆面活塞辐射器指向性近场测量数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆面活塞辐射器指向性近场测量数据处理方法。包括以下步骤：步骤一，利用水听器组成的直线阵列，获得圆面活塞辐射器近场区域通过且垂直于声轴方向的测量面上的复声压数据；步骤二，水听器阵列沿声轴方向移动Δd距离，得到相距Δd距离的测量面上的复声压数据；步骤三，由步骤一和步骤二中测得的复声压数据，利用有限差分得到次级声源的质点振速；步骤四，得到测量面外声场中给定点处的声压。本发明数据处理方法简单、易于实现，并且测量的数据量少，测量效率高，测量结构简单。
Description
技术领域
本发明属于高频换能器声学参数测量领域，尤其涉及一种圆面活塞辐射器指向性近场测量数据处理方法。
背景技术
指向性是换能器的远场重要特性之一，换能器指向性测量的常规方法是在远场进行测量，20世纪80年代以来，相继出现了各种近场测量方法，其基本原理是在近场的菲涅尔区测量声场的全息声压数据，利用声场变换技术，重建声源的远场。
目前的近场测量技术需要测量近场中局部有限大平面上的复声压数据，为了减小接收水听器对声场的影响，一般采用单个或一列水听器在平面上的机械移动测量得到一个平面上的数据，如王世全等人通过三维扫描运动定位机构的运动控制，完成一个平面的测量(一种高频超声发射器及阵列声学参数近场校准方法，专利号：201210319978.5)；平自红等人利用多个小型传感器组成球形基阵进行近场测量(一种水声传感器声学参数近场测量方法，专利号：201310030311.8)。通过机械移动测量的方法可以对任意声源进行近场测量，但是对扫描定位的精度要求较高，并且扫面定位机构需要进行三维运动，结构较为复杂；通过多个小型传感器组成球形基阵进行测量的方法需要较多的传感器，且多个传感器组成的阵列会对声场产生影响，降低测量精度。圆面活塞辐射器是一种较为常见的水声换能器，其辐射声场具有轴对称性，因此测量时可通过测量垂直于声轴方向的一条线上的声场得到一个测量面的声场分布，王世全等人的测量方法虽然也可以只测量垂直于声轴方向的一条线上的声场，但其专利中并没有给出具体的数据处理方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单易于实现的，圆面活塞辐射器指向性近场测量数据处理方法。
一种圆面活塞辐射器指向性近场测量数据处理方法，包括以下几个步骤，
步骤一：水听器组成直线阵列，水听器接收到复声压数据后，在垂直于声轴的水听器阵列所在平面上，每个水听器以声轴为中心旋转一周的圆周上取等间隔点，这些点为虚拟点，水听器所在位置的点为实测点，每个虚拟点处的复声压数据为对应圆周上实测点处的复声压数据，得到一个测量圆面上的复声压数据，其中圆面为次级声源；
步骤二：水听器阵列沿声轴方向移动Δd距离，重复步骤一，得到相距Δd距离的测量面上的复声压数据；
步骤三：由步骤一和步骤二中测得的复声压数据，利用有限差分得到次级声源的质点振速：
其中，u为质点振速，j为复数符号，ρ为介质密度，c为介质中的声速，k为波数，p2、p1为两个测量面上的声压，Δd为两个测量面的距离；
步骤四：得到测量面外声场中给定点处的声压：
其中，M为次级声源面的总的面元数，rm为声场中给定点到次级声源面上第m个面元的距离，β为声场中给定点与次级声源面上第m个面元的连线与次级声源面法线的夹角，Δs为第m个面元的面积。
本发明一种圆面活塞辐射器指向性近场测量数据处理方法还可以包括：
1、水听器组成的直线阵列中，两水听器之间的距离满足小于等于波长的三分之一；每个水听器以声轴为中心旋转一周的圆周上，虚拟点之间的间隔距离也满足小于等于波长的三分之一。
有益效果：
本发明由一条线上的测量值通过旋转近似得到一个面上复声压数据，数据处理方法简单，易于实现；
本发明只需分别测量相距一定距离的两条线上的声压值，通过旋转得到两个面上的声压值，因此相对于一般的测量两个面的声压值的近场测量方法，测量的数据量减少，进而提高了测量效率；
本发明技术方案中只需对接收水听器阵列在声轴方向上一维水平移动，不需在垂直声轴方向的移动，因此所需的测量结构简单，降低了测量结构的复杂度。
附图说明
图1辐射器和水听器布放示意图
图2虚拟点构建示意图；
图3水听器各阵元接收到的声压幅值；
图4次级声源面上的声压幅值分布；
图5圆面活塞辐射器远场指向性测量值；
图6圆面活塞辐射器远场指向性理论值。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明的目的是为了解决圆面活塞辐射器的远场指向性测量过程中实施困难、信噪比低等问题，以及解决现有近场测量方法设备复杂、测量数据量大的问题，提出了一种简单易于实现的圆面活塞辐射器指向性的近场测量数据处理方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
(1)利用水听器组成的直线阵列，获得圆面活塞辐射器近场区域通过且垂直于声轴方向的测量线上的复声压数据。根据圆面活塞辐射器辐射声场的轴对称性，在垂直于声轴的水听器阵列所在平面上，每个水听器以声轴为中心旋转一周的圆周上取一系列等间隔点，这些点为虚拟点，水听器所在位置的点为实测点。每个虚拟点处的复声压数据为对应圆周上实测点处的复声压数据，这样就由一条线上的水听器接收数据近似得到一个测量圆面上的接收数据，圆面作为次级声源。
(2)水听器阵列沿声轴方向移动Δd距离，重复步骤(1)，得到相距Δd距离的测量面上的复声压数据。
(3)由步骤(1)和步骤(2)中测得的声压数据，利用有限差分得到次级声源的质点振速，具体的差分形式为：
其中，u为质点振速，j为复数符号，ρ为介质密度，c为介质中的声速，k为波数，p2、p1为两个测量面上的声压，Δd为两个测量面的距离。
(4)由Helmholtz公式，可得测量面外声场中给定点处的声压，具体公式为：
其中，M表示次级声源面的总的面元数，rm表示声场中给定点到次级声源面上第m个面元的距离，β表示声场中给定点与次级声源面上第m个面元的连线与次级声源面法线的夹角，Δs表示第m个面元的面积。
上述过程中，水听器组成的直线阵列中，两水听器之间的距离应满足小于等于波长的三分之一；每个水听器以声轴为中心旋转一周的圆周上，虚拟点之间的间隔距离也应满足小于等于波长的三分之一。
本发明属于高频换能器声学参数测量领域，具体涉及一种圆面活塞辐射器指向性的近场测量数据处理方法。本发明包括：测得圆面活塞辐射器近场区域通过且垂直于声轴方向的测量线上的复声压数据；在垂直于声轴的水听器阵列所在平面上，每个水听器以声轴为中心旋转一周的圆周上取一系列等间隔的虚拟点，构建一个测量面；测得并构建相距Δd距离的测量面；利用有限差分得到次级声源的质点振速；由Helmholtz公式，得到测量面外声场中给定点处的声压。本发明数据处理方法简单、易于实现，并且测量的数据量少，测量效率高，测量结构简单。
1、结合图1，水听器阵列在辐射器近场区域，垂直于声轴方向布放。水听器接收到复声压数据后，在垂直于声轴的水听器阵列所在平面上，每个水听器以声轴为中心旋转一周的圆周上取一系列等间隔点，这些点为虚拟点，水听器所在位置的点为实测点，如图2所示。每个虚拟点处的复声压数据为对应圆周上实测点处的复声压数据，这样就由一条线上的水听器接收数据近似得到一个圆面上的接收数据，圆面作为次级声源。
2、水听器阵列沿声轴方向移动Δd距离，重复步骤1，得到两个相距Δd距离的测量面上的复声压数据；
3、由步骤1和步骤2中测得的声压数据，利用有限差分得到次级声源的质点振速，具体的差分形式为：
其中，u为质点振速，j为复数符号，ρ为介质密度，c为介质中的声速，k为波数，p2、p1为两个测量面上的声压，Δd为两个测量面的距离。
4、由Helmholtz公式，可得测量面外声场中给定点处的声压，具体公式为：
其中，M表示次级声源面的总的面元数，rm表示声场中给定点到次级声源面上第m个面元的距离，β表示声场中给定点与次级声源面上第m个面元的连线与次级声源面法线的夹角，Δs表示第m个面元的面积。
上述过程中，水听器组成的直线阵列中，两水听器之间的距离应满足小于等于波长的三分之一；每一个水听器接收的声压数据以声轴为中心等间隔进行旋转时，旋转之后圆周上每两个间隔点的距离也应满足小于等于波长的三分之一。
实施例
取圆面活塞辐射器的圆面半径为0.05m，辐射声波频率为50kHz，接收水听器为16元直线阵列，水听器阵元间隔为0.01m，辐射器和水听器按图1所示布放，各水听器接收到的复声压数据，然后如图2所示，在垂直于声轴的水听器阵列所在平面上，构建每个水听器在对应圆周上的虚拟点，每个虚拟点的复声压数据为对应圆周上实测点处的复声压数据。如图3所示为各水听器接收到声压信号的幅值，图4为构建虚拟点后一个圆面即次级声源面上的声压幅值分布。
将水听器阵列沿声轴方向移动Δd＝0.001m距离，得到相距Δd＝0.001m距离的测量面上的复声压数据，然后采用有限差分得到次级声源的质点振速，再由Helmholtz公式，可得测量面外远场中给定点处的声压，即可得到远场指向性，如图5所示。图6为圆面活塞辐射器远场指向性的理论值。
Claims (1)
1.一种圆面活塞辐射器指向性近场测量数据处理方法，其特征在于：包括以下几个步骤，
步骤一：水听器组成直线阵列，水听器接收到复声压数据后，在垂直于声轴的水听器阵列所在平面上，每个水听器以声轴为中心旋转一周的圆周上取等间隔点，这些点为虚拟点，水听器所在位置的点为实测点，每个虚拟点处的复声压数据为对应圆周上实测点处的复声压数据，得到一个测量圆面上的复声压数据，其中圆面为次级声源；
步骤二：水听器阵列沿声轴方向移动Δd距离，重复步骤一，得到相距Δd距离的测量面上的复声压数据；
步骤三：由步骤一和步骤二中测得的复声压数据，利用有限差分得到次级声源的质点振速：
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其中，u为质点振速，j为复数符号，ρ为介质密度，c为介质中的声速，k为波数，p2、p1为两个测量面上的声压，Δd为两个测量面的距离；
步骤四：得到测量面外声场中给定点处的声压：
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其中，M为次级声源面的总的面元数，rm为声场中给定点到次级声源面上第m个面元的距离，β为声场中给定点与次级声源面上第m个面元的连线与次级声源面法线的夹角，Δs为第m个面元的面积；所述的水听器组成的直线阵列中，两水听器之间的距离满足小于等于波长的三分之一；每个水听器以声轴为中心旋转一周的圆周上，虚拟点之间的间隔距离也满足小于等于波长的三分之一。
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