CN105652263B - 一种水声发射器声源级非自由场时反聚焦测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种水声发射器声源级非自由场时反聚焦测量方法，包括以下步骤：1)采集探查信号；2)生成时反发射信号；3)采集时反聚焦信号；4)发射器声源级的计算；5)声源级的修正。本发明通过水声互易性原理实现时反聚焦，并利用时反原理实现标准水听器处接收信号的空时聚焦，从而在有限空间发射器声源级测量中，达到抑制混响的目的，可解决有限空间强混响背景下发射器声源级测量的难点问题。
Description
技术领域
本发明属于水声发射器电声参数测量领域，具体涉及一种非自由场环境下，水声发射器声源级时反聚焦测量方法。
背景技术
随着我国海洋开发的深入，以及国防领域水声对抗技术的发展，具有低频、深水等特性的水声发射器日益受到重视。为了确保水声发射器的工作性能以及量值传递的需要,必须对发射器性能进行评估。目前，大多数用于发射器性能评估的校准方法在自由场远场条件下进行。
然而，低频情况下受消声水池吸声性能下降影响，使测量时水听器记录的混响增强；而对于深水发射器，具备高压测试条件的压力罐通常难以进行消声，测量中同样存在混响多径干扰的问题。因此，在低频或高压条件下，均不具备自由场远场测量条件，现有的水声发射器电声参数方法无法适用。
发明内容
声源级是水声发射器电声参数的一个重要性能指标，本发明要解决现有技术测量该指标的上述缺点，提供一种水声发射器声源级非自由场时反聚焦测量方法。
时间反转(时反)原理根据波动方程解的时反不变性及收发互易性，通过把某一声源的接收信号在同一信道时反后发射，可实现该发射信号在接收位置处的空间和时间聚焦，即空间上多径声波聚焦于接收水听器处，时间上这些到达的多径声波将同相位叠加(时域聚焦)，聚焦后的信号为原发射信号的时间反转形式。由于在一个时不变的声场中，波动方程解的时反不变性和收发互易性成立，因此时反聚焦是一个时不变声场的固有特性。本发明的目的是利用时反的空时聚焦特性使测量接收信号压缩成原发射信号的时反形式，从而抑制非自由场环境下混响对测量的影响，使测量方法可应用于评估低频或深水换能器的声源级性能。考虑到本测量方法为非自由场测量，其测量结果与传统的自由场测量方法不同，若测量结果与传统的测量方法所得的结果进行横向比较，则需对本方法的测量结果进行修正，本发明提出了修正方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水声发射器声源级非自由场时反聚焦测量方法，所述声源级测量方法包括以下步骤：
1)探查信号采集：首先，根据所需测量的频率范围，由信号发生器生成所需发射的信号(如窄带脉冲余弦信号)，信号经计算机控制系统控制并经D/A变换及功率放大器由发射器发射探查信号，位于其声轴方向远场中的标准水听器接收声波，并经数字信号采集系统采集存储于计算机控制系统。
2)时反发射信号生成：利用计算机控制系统对接收信号进行幅度归一化及时间反转，生成时反发射信号。
3)时反聚焦信号的采集：保持步骤1)中的发射器和标准水听器位置不变，利用计算机控制系统再次发射由2)产生的时反发射信号，经D/A变换及功率放大后激励发射器，发射器再次发射声波，标准水听器再次接收声波，并经数字信号采集系统采集存储于计算机控制系统。
4)发射器声源级的计算：利用步骤3)采集的标准水听器声压数据，计算发射器声源级。
5)声源级的修正：为使本发明所测声源级的结果与传统的自由场方法测量结果一致，重复步骤3)和4)，利用标准发射器数据通过比较法修正步骤4)得到的声源级。
本发明的技术构思为：利用发射器发射探查信号，水听器接收经水声信道传播的信号，获取发射器到水听器位置处的信道响应，并通过时间反转和幅度归一化，生成时反发射信号；然后发射器再次发射所生成的时反发射信号，则根据声传播的时反互易性原理，该发射信号可在水听器位置处实现空时聚焦，从而降低测量环境边界导致的混响对测量信号的影响，最后通过标准发射器修正非自由场声源级测量值。
与现有的发射器自由场声源级测量方法相比，本发明的技术优势主要表现在：基于时反聚焦的测量技术可抑制混响，降低混响对测量信号的干扰，可解决有限空间强混响背景下发射器声源级测量的难点问题。
附图说明
图1是各测量仪器连接及时反空时聚焦示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1，水声发射器声源级非自由场时反聚焦测量方法，用于水下声学发射器声源级测试。整套测量方法的实施方式如下：
1)探查信号采集
首先，根据所需测量的频率范围，由测量系统生成所需发射的信号，如宽带线性调频信号或窄带的脉冲余弦信号。然后，将标准水听器置于发射器声轴距离d(单位m，以发射器有效声中心为距离起始点，满足远场条件)处，如图1所示，信号经计算机控制系统控制并经D/A变换及功率放大器由发射器发射探查信号，水听器记录经测试环境传播的发射信号。
2)时反发射信号生成
接收信号经滤波、前置放大以及A/D变换，存储于计算机控制系统；利用计算机控制系统对数字接收信号进行截取，并进行幅度归一化及时间反转，生成时反发射信号。
3)时反聚焦信号的采集
如图1所示，保持步骤1)中的发射器和标准水听器位置不变，利用计算机控制系统再次发射由2)产生的时反发射信号，经D/A变换及功率放大后激励发射器，发射器再次发射声波，则根据时反原理，发射信号在水听器处产生空时聚焦，该聚焦信号为原发射信号的时间反转形式，此时标准水听器再次接收声波，并经数字信号采集系统采集存储于计算机控制系统，结合标准水听器灵敏度计算得到声压测量值pd，单位为Pa。
4)发射器声源级的计算
利用步骤3)采集的标准水听器声压数据，计算发射器声源级
LTRx＝20lgpd+20lgd+120，
式中LTRx单位为dB，声压基准值1μPa。
5)声源级的修正
由于界面反射的存在，若要使上述声源级测量结果与自由场情况相一致，则需对测量结果进行修正。将待测发射器换成标准发射器，重复步骤3)和4)，计算得到利用时反聚焦方法测量得到的标准发射器声源级LTRs，则修正后的待测发射器声源级为
Lx＝LTRx-(LTRs-Ls)，
式中Ls为标准发射器自由场声源级。
Claims (1)
1.一种水声发射器声源级非自由场时反聚焦测量方法，所述测量方法包括如下步骤：
1)探查信号采集：首先，根据所需测量的频率范围，由信号发生器生成所需发射的信号，信号经计算机控制系统控制并经D/A变换及功率放大器由发射器发射探查信号，位于其声轴方向远场中的标准水听器接收声波，并经数字信号采集系统采集存储于计算机控制系统；
2)时反发射信号生成：接收信号经滤波、前置放大以及A/D变换，存储于计算机控制系统；利用计算机控制系统对数字接收信号进行截取，并进行幅度归一化及时间反转，生成时反发射信号；
3)时反聚焦信号的采集：保持步骤1)中的发射器和标准水听器位置不变，利用计算机控制系统再次发射由步骤2)产生的时反发射信号，经D/A变换及功率放大后激励发射器，发射器再次发射声波，标准水听器再次接收声波，并经数字信号采集系统采集存储于计算机控制系统，结合标准水听器灵敏度计算得到声压测量值pd，单位为Pa；
4)发射器声源级的计算：利用步骤3)采集的标准水听器声压数据，计算发射器声源级LTRx＝20lgpd+20lgd+120，式中d为发射器有效声中心到标准水听器的距离，单位m，LTRx单位为dB，声压基准值1μPa；
5)声源级的修正：为使所测声源级的结果与传统的自由场方法测量结果一致，将待测发射器换成标准发射器，重复步骤3)和4)，计算得到利用时反聚焦方法测量得到的标准发射器声源级LTRs，则修正后的待测发射器声源级为Lx＝LTRx-(LTRs-Ls)，式中Ls为标准发射器自由场声源级。
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