CN106124025A - 低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准装置及校准方法。主要由水声声管、真空管、电磁屏蔽管以及减振基座和上盖板组成。每只矢量水听器测量得到的噪声自谱中包括自噪声谱和环境背景噪声谱，对两只矢量水听器噪声信号做互相关计算可以得到环境背景噪声谱，进而通过已知的矢量水听器传递函数，可以计算得到各自矢量水听器的等效自噪声加速度谱级。本发明有效地降低了来自外部的振动和电与电磁以及声的干扰，使得测试环境背景噪声极低，从而更好地满足了低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级参数的校准精度要求，提高了对低噪声矢量水听器自噪声水平的评价有效性，保证了低噪声矢量水听器的工程应用质量。

Description

低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准装置及校准 方法

技术领域

本发明涉及的是一种矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准装置。本发明也涉及的是一种矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准方法。

背景技术

矢量水听器可以同时、共点地测量水中质点振速(或加速度)和声压，近年来应用极为广泛。目前，最常用的矢量水听器为加速度型同振式矢量水听器，其检测的物理量是水中质点加速度。对于声压传感器来说，表征其自噪声的量为等效噪声声压谱(级)；相应地，对于加速度型矢量水听器而言，表征其自噪声的量为等效自噪声加速度谱(级)。

对于矢量水听器来说，自噪声作为影响其动态范围的最重要指标，一直是使用者关注的重点。而对自噪声指标测量的准确与否直接影响着的对矢量水听器性能评价是否准确。矢量水听器真实自噪声测量的不准确往往来自恶劣的测量环境以及简单的测量方法，尤其是针对低噪声矢量水听器。由于矢量水听器不但对声信号敏感，同时也对振动信号敏感，因此，要求其自噪声测量平台既能隔离噪声干扰，又可以隔离振动干扰。如何有效地降低测量环境带来的影响，一直受到本领域研究学者的重视。

早在1972年，丹麦B&K公司的V.Tarnow就研制了一套测量传声器自噪声的装置，当时研究认为，传声器的自噪声主要来源于热噪声，因此该装置测量的参数是传声器的热噪声。2008年，英国谢菲尔德大学的Brownjohn和Botfield利用折叠摆结构作为减震器来测量低频加速度计的自噪声，该折叠摆结构可以在大于4Hz小于20Hz时有效隔离来自地面的环境背景噪声。2012年，Levinzon利用美国国家标准与技术研究院的稳定减振平台来测量超低噪声的加速度计，平台由重型钢板工作台组成，工作台被长约3米的高强度皮筋垂直悬挂。该减振平台的固有频率约为0.3Hz。丹麦RESON公司拥有一套水听器自噪声测量系统。测试罐体由钢材料制成。进行水听器自噪声测试时，罐体置于轻质泡沫板上，泡沫板放置在地板上起到隔振作用，同时罐体内部做抽真空处理。美国海军空中作战中心拥有一套测量低噪声声学与振动传感器的本底噪声测量装置。该装置由不锈钢罐体组成，测量时可以对内部进行抽真空处理，有效隔离噪声干扰。美国应用物理科学公司研制了一套可以测量声学传感器的自噪声测量设备，频段覆盖甚低频、可听声以及超声，同样地，罐体利用悬挂装置减振并抽真空隔声。

综上所述，在测量声传感器或振动传感器的自噪声时，采用抽真空方式可以有效隔离噪声干扰，利用减振手段可以有效降低振动干扰，使用电磁屏蔽腔体可以降低电磁干扰。但是，实际应用中，矢量水听器在水中工作，由于水听器的自身阻抗匹配特性，其在空气中与在水中的工作状态并不相同，因此，空气中测得的矢量水听器的自噪声特性，并不能真实反映出其工作时的自噪声特性。在水中测量得到的等效自噪声加速度谱级，才更符合实际工程应用状态。

同时，上述所有传感器的自噪声测量均采用简单的谱分析方法，这种方法将所有采集到的信号都认为是传感器的自噪声。而实际上，不论采用何种手段，都不能完全的消除环境背景噪声的影响。

截止目前，并没有发现在水中有关低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准方法及校准装置的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现对矢量水听器低频自噪声加速度谱级的精确测试的低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准装置。本发明的目的还在于提供一种低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准方法。

本发明的低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准装置包括水声声管1、真空管2、电磁屏蔽管3以及减振基座4和上盖板5，水声声管1中充满水介质6，真空管2套在水声声管外面，真空引出盖板7盖在真空管2上将水声声管1包围，真空管2与水声声管1和真空引出盖板7之间形成真空腔8，电磁屏蔽管3套在真空管2外，上盖板5盖在电磁屏蔽管3上，真空引出盖板7下带有两个用于安装待测矢量水听器的悬挂装置9，水声声管1、真空管2和电磁屏蔽管3安装在减震基座4上。

本发明的低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准装置还可以包括：

1、所述减震基座4包括橡胶板4a、四只空气弹簧4b及声管基座4c，声管基座4c通过四只空气弹簧4b设置在橡胶板4a上，水声声管1、真空管2和电磁屏蔽管3固定在橡胶板4a上。

2、所述真空引出盖板7上设置真空引出电缆10和真空压力表11，真空引出电缆10由电缆10a和电缆头10b组成，电缆头10b与真空引出盖板7通过O型圈10c进行气密，真空压力表11由压力表头11a、安装基座11b、阀门11c和排气管11d组成，真空压力表11与真空引出盖板7通过O型圈11e进行气密。

本发明的低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准方法为：

第一矢量水听器测量得到包括自噪声信号X₁(ω)和环境背景噪声N(ω)的噪声信号，第二矢量水听器测量得到包括自噪声信号X_s(ω)和环境背景噪声N(ω)的噪声信号，自噪声信号X₁(ω)与X₂(ω)对应的自功率谱分别为与环境背景噪声对应的自功率谱为S_N(ω)，由自噪声自功率谱、环境背景噪声自功率谱和传递函数分别得到两只矢量水听器的输出信号Y₁(ω)与Y₂(ω)对应的自功率谱与对两只矢量水听器的自功率谱做互相关计算得到互功率谱和相干函数γ²。

本发明提供了一种在20-2000Hz频率范围内、在水声声管中对低噪声的矢量水听器等效自噪声加速度谱级进行校准的方法及校准装置。

由于放置在水声声管中的两只矢量水听器，各自的自噪声信号彼此不相关，并且每只矢量水听器的自噪声信号与环境背景噪声信号也不相关，而由水环境产生的环境背景噪声是完全相同的。因此，采用双水听器互谱的方法，可以有效降低来自环境的背景噪声干扰，提高矢量水听器等效自噪声加速度谱级校准精度。

本发明的低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级互谱法校准原理是：放置在水声声管中的两只矢量水听器，各自的自噪声信号彼此不相关，并且每只矢量水听器的自噪声信号与环境背景噪声信号也不相关，而由水环境产生的环境背景噪声是完全相同的。因此，每只矢量水听器测量得到的噪声自谱中包括自噪声谱和环境背景噪声谱，对两只矢量水听器噪声信号做互相关计算可以得到环境背景噪声谱，进而通过已知的矢量水听器传递函数，可以计算得到各自矢量水听器的等效自噪声加速度谱级。

低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准装置整体包括水声声管、真空腔体、电屏蔽腔体以及减震基座等。所述的水声声管是一种由不锈钢材料加工制作的能够满足一定声学刚性条件的圆管，管中充满水介质，声波在管中传播存在规律性；真空腔体是采用有机玻璃材料加工制作的一段圆管，套在水声声管的外面，两者之间形成空气腔，工作时将这一空间抽成真空形式，以隔绝来自外部的声波干扰；电屏蔽腔体是采用黄铜圆管设计制作的，用于屏蔽外界电和电磁干扰；减震基座是由四只空气弹簧和橡胶板组成隔震结构，结合水声声管、真空腔体、电屏蔽腔体的下盖板，形成的一种具有隔振性能的安装基座。

所以本发明的优点是：1.能够提供对低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的进行校准的方法和装置；2.测试环境背景噪声低，能够测量的矢量水听器低频自噪声加速度谱级达-120dB(0dB re 1m/s²)；3.测试频率低，在20-2000Hz频率范围内，实现对矢量水听器低频自噪声加速度谱级的测试。

附图说明

图1是本发明低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级校准装置的结构示意图；

图2是本发明的减震基座结构示意图；

图3是本发明的真空引出盖板细节示意图；

图4是本发明双水听器互相关法测量矢量水听器等效自噪声加速度谱级原理框图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明的低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准装置组成包括水声声管1、真空管2、电磁屏蔽管3、减振基座4和上盖板5。水声声管1是一种由不锈钢材料加工制作的能够满足一定声学刚性条件的圆管，水声声管中充满水介质6，声波在管中传播存在规律性；真空管2为有机玻璃圆管，真空管套在水声声管的外面，利用真空引出盖板7将水声声管1包围，两者之间形成真空腔8，以隔绝来自外部的声波干扰；电磁屏蔽管3是采用黄铜材料制成的，用于屏蔽外界电磁干扰。在进行低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准时，首先利用悬挂装置9将待测矢量水听器安装，并将该水听器输出信号通过真空引出低噪声电缆10送出，并使用外部抽真空泵，将真空腔8中的空气排出，同时利用真空压力表11进行压力监测，待真空腔8中形成真空状态即可进行测量。

结合图2，减震基座4由橡胶板4a、四只空气弹簧4b及声管基座4c组成，结合水声声管1、机玻璃圆管2、电磁屏蔽管3形成的一种具有隔振性能的安装基座。

结合图3，。真空引出低噪声电缆10和真空压力表11安装在真空引出盖板7上面。其中，真空引出低噪声电缆10主体由低噪声电缆10a和电缆头10b组成，电缆头10b与真空引出盖板7通过O型圈10c进行气密。真空压力表11主体由压力表头11a、安装基座11b、阀门11c和排气管11d组成。其中，真空压力表11与真空引出盖板7通过O型圈11e进行气密。

结合图4，本发明的低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准方法为中，待校准矢量水听器的自噪声信号为X₁(ω)和X₂(ω)，对应的自功率谱为和矢量水听器测试环境的背景噪声为N(ω)，对应的自功率谱为S_N(ω)，则矢量水听器输出信号Y₁(ω)和Y₂(ω)对应的自功率谱为：

$S_{Y_1}\left(\mathrm{\ω}\right)=|H_1\left(\mathrm{\ω}\right){|}^2\[S_{X_1}\left(\mathrm{\ω}\right)+S_N\left(\mathrm{\ω}\right)\]---\left(1\right)$

$S_{Y_2}\left(\mathrm{\ω}\right)=|H_2\left(\mathrm{\ω}\right){|}^2\[S_{X_2}\left(\mathrm{\ω}\right)+S_N\left(\mathrm{\ω}\right)\]---\left(2\right)$

其中，两只水听器各自的传递函数分别为H₁(ω)和H₂(ω)；相应的，可以求出两矢量水听器输出信号的互功率谱和相干函数和γ²：

$S_{Y_1{Y}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)=H_1\left(\mathrm{\ω}\right)H_2^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)S_N\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(3\right)$

${\mathrm{\γ}}^2=\frac{|S_{Y_1{Y}_2}\left(\mathrm{\ω}\right){|}^2}{S_{Y_1}\left(\mathrm{\ω}\right)S_{Y_2}\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(4\right)$

本发明中，首先通过直接测量，可以得到两矢量水听器输出信号的自谱和以及互谱同时，通过已知的两只待测矢量水听器的传递函数，可以计算得到矢量水听器1的自噪声谱：

$S_{X_1}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{S_{Y_1}\left(\mathrm{\ω}\right)}{|H_1\left(\mathrm{\ω}\right){|}^2}-\frac{S_{Y_1{Y}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)}{H_1\left(\mathrm{\ω}\right)H_2^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(5\right)$

本发明中两只待测矢量水听器的传递函数已知，并且采用两只传递函数相近的矢量水听器，则其输出噪声谱近似相等，因此，计算得到矢量水听器1的等效自噪声加速度谱级：

$S_{X_1}\left(\mathrm{\ω}\right)\≈\frac{S_{Y_1}\left(\mathrm{\ω}\right)}{|H_1\left(\mathrm{\ω}\right){|}^2}(1-\mathrm{\γ})---\left(6\right)$

互谱法校准原理是：在同一测试环境下的两只矢量水听器，各自的自噪声信号彼此不相关，并且每只矢量水听器的自噪声信号与环境背景噪声信号也不相关，而测试环境的环境背景噪声是完全相同的。因此，每只矢量水听器测量得到的噪声自谱中包括自噪声谱和环境背景噪声谱，对两只矢量水听器噪声信号做互相关计算可以得到环境背景噪声谱，进而通过已知的矢量水听器传递函数，可以计算得到各自矢量水听器的等效自噪声加速度谱级；水声声管是一种由不锈钢材料加工制作的能够满足一定声学刚性条件的圆管，管中充满水介质，声波在管中传播存在规律性；真空腔体是采用有机玻璃材料加工制作的一段圆管，套在水声声管的外面，两者之间形成空气腔，工作时将这一空间抽成真空形式，以隔绝来自外部的声波干扰；电屏蔽腔体是采用黄铜圆管设计制作的，用于屏蔽外界电和电磁干扰；减震基座是由四只空气弹簧和橡胶板组成隔震结构，结合水声声管、真空腔体、电屏蔽腔体的下盖板，形成的一种具有隔振性能的安装基座。本发明有效地降低了来自外部的振动和电与电磁以及声的干扰，使得测试环境背景噪声极低，从而更好地满足了低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级参数的校准精度要求，提高了对低噪声矢量水听器自噪声水平的评价有效性，保证了低噪声矢量水听器的工程应用质量。

因此，本发明可以广泛应用于水声工程各领域，满足对水声换能器低噪声水平的测试需求，比如水下目标的远程探测等。

Claims (4)

1.一种低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准装置，包括水声声管(1)、真空管(2)、电磁屏蔽管(3)以及减振基座(4)和上盖板(5)，其特征是：水声声管(1)中充满水介质(6)，真空管(2)套在水声声管外面，真空引出盖板(7)盖在真空管(2)上将水声声管(1)包围，真空管(2)与水声声管(1)和真空引出盖板(7)之间形成真空腔(8)，电磁屏蔽管(3)套在真空管(2)外，上盖板(5)盖在电磁屏蔽管(3)上，真空引出盖板(7)下带有两个用于安装待测矢量水听器的悬挂装置(9)，水声声管(1)、真空管(2)和电磁屏蔽管(3)安装在减震基座(4)上。

2.根据权利要求1所述的低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准装置，其特征是：所述减震基座(4)包括橡胶板(4a)、四只空气弹簧(4b)及声管基座(4c)，声管基座(4c)通过四只空气弹簧(4b)设置在橡胶板(4a)上，水声声管(1)、真空管(2)和电磁屏蔽管(3)固定在橡胶板(4a)上。

3.根据权利要求1或2所述的低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准装置，其特征是：所述真空引出盖板(7)上设置真空引出电缆(10)和真空压力表(11)，真空引出电缆(10)由电缆(10a)和电缆头(10b)组成，电缆头(10b)与真空引出盖板(7)通过O型圈(10c)进行气密，真空压力表(11)由压力表头(11a)、安装基座(11b)、阀门(11c)和排气管(11d)组成，真空压力表(11)与真空引出盖板(7)通过O型圈(11e)进行气密。

4.一种低噪声矢量水听器等效自噪声加速度谱级的校准方法，其特征是：第一矢量水听器测量得到包括自噪声信号X1₍ω)和环境背景噪声N(ω)的噪声信号，第二矢量水听器测量得到包括自噪声信号X₂(ω)和环境背景噪声N(ω)的噪声信号，自噪声信号X₁(ω)与X₂(ω)对应的自功率谱分别为与环境背景噪声对应的自功率谱为S_N(ω)，由自噪声自功率谱、环境背景噪声自功率谱和传递函数分别得到两只矢量水听器的输出信号Y₁(ω)与Y₂(ω)对应的自功率谱与对两只矢量水听器的自功率谱做互相关计算得到互功率谱和相干函数γ²。