CN106501795A - 一种利用混响水池进行水声换能器互易校准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用混响水池进行水声换能器互易校准的方法。本发明包括：(1)根据待校准水声换能器的待校准最低频率选取相应尺寸的混响水池；(2)将任意一个无指向性声源和一个水听器组成发射接收换能器对，在消声水池内测量距离声源等效声中心1m远处开路输出电压并记录仪器发射接收参数；(3)将此发射接收换能器对放置于混响水池中，调节相同发射接收参数，采用空间平均法测量水听器开路输出电压等。采用本发明方法进行水声换能器校准，可以同时对多只水听器进行校准。减少了对实验水池的要求。在小尺寸混响水池或非消声水池，只要满足校准的频率范围即可采用此法进行校准。

Description

一种利用混响水池进行水声换能器互易校准的方法

技术领域

本发明涉及一种利用混响水池进行水声换能器互易校准的方法。

背景技术

水声计量是水声技术领域的一个重要基础，它不但是校准、测试或者鉴定水下电声换能器所必需的，而且是间接地应用水声换能器的基础。随着水声设备类型的增多、频率范围的扩展、性能的提高等，都不断地对水声计量提出了许多新的要求。

目前水声换能器校准采用的是自由场校准方法(水声换能器自由场校准方法(GB3223-82))，该标准规定了水声换能器在自由场球面波条件下的校准方法：互易法和比较法。其中明确注明标准使用的频率范围为100Hz到1MHz。这是由于实际校准环境下，无法满足无限大自由场空间条件，即保证无反射声的存在，即便是吸声条件良好的消声水池中，依然存在测量的下限频率，因而无法有效地满足低频换能器校准要求。

在空气声学中采用混响室校准传声器已经得到成熟应用，由于空气与水的特性相差较大，在混响水池中借助空气声学中的校准方法无法得到有效应用。吴文虬应用扩散声场校准法在混响水槽中采用1/3带宽噪声对两只水听器灵敏度进行校准，校准结果与出厂时噪声比较法测得的灵敏度相差较大。尽管该实验采用宽带测量的办法减少了声场中简正波对声场均匀性的影响，但是却牺牲了频率特性。目前尚未见到在混响水池中利用空间平均的方法进行水声换能器校准窄带频率校准的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用混响水池进行水声换能器互易校准的方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种利用混响水池进行水声换能器互易校准的方法，包括如下步骤：

(1)根据待校准水声换能器的待校准最低频率选取相应尺寸的混响水池；

(2)将任意一个无指向性声源和一个水听器组成发射接收换能器对，在消声水池内测量距离声源等效声中心1m远处开路输出电压并记录仪器发射接收参数；

(3)将此发射接收换能器对放置于混响水池中，调节相同发射接收参数，采用空间平均法测量水听器开路输出电压；

(4)利用水听器在消声水池和混响水池测量得到的开路输出电压，计算混响水池的互易常数；

(5)在混响水池中，发射换能器发射声信号，互易换能器和接收换能器接收声信号，采用空间平均法测量互易换能器和接收换能器的开路输出电压；

(6)互易换能器发射声信号，接收换能器接收声信号，采用空间平均法测量互易换能器的输入电流和接收换能器的开路输出电压；

(7)利用测量到的电学值，计算互易换能器和接收换能器的自由场电压灵敏度。

所述的混响水池的选择，根据待校准水声换能器的待校准最低频率选取相应尺寸的混响水池；混响水池容积最小为V：

式中，待校准水声换能器校准最低频率f_l，水中声速c₀。

所述空间平均法的具体操作过程如下：

(1)混响移动区域的划分；将混响水池分为两个混响移动区域：发射移动区域和接收移动区域；混响移动区范围按照如下规则划分：射移动区域与接收移动区域距离大于临界距离；临界距离为发射移动区域和接收移动区域边界之间的最小距离，其值是测试最低频率波长的2倍和混响半径的4倍中的最小值；发射移动区域和接收移动区域的区域边界与池壁和水面的距离大于测试最低频率的1/4波长；

(2)空间平均法测量；将发射器和接收器分别置于两个混响移动区域内；在测试过程中，发射器和接收器采用匀速、缓慢、随机的方式移动；在一次测量时间内发射器和接收器同时在各自的混响移动区内移动，移动速度小于0.1m/s，移动的路径大于2倍波长。

使用数据采集器进行所述电压的采集，采用边移动边采集的方式，即在一次测量时间内，发射器和接收器开始移动后，数据采集器开始记录采集到的电压有效值；计算电压均方根值<e>为：

式中，e_i为采集到的电压有效值，N为采集点数。

本发明的有益效果在于：1、采用本发明方法进行水声换能器校准，可以同时对多只水听器进行校准。2、减少了对实验水池的要求。在小尺寸混响水池或非消声水池，只要满足校准的频率范围即可采用此法进行校准。3、本发明方法适用于任意形状的混响水池。

附图说明

图1为本发明实验操作流程图；

图2为混响水池互易常数测量装置简易图；

图3为混响水池中水声换能器互易校准装置连接图；

图4为混响水池互易校准测量排布和步骤；

图5为混响箱中混响移动区域示意图；

图6为混响箱中混响移动区域俯视图；

图7为混响箱的互易常数；

图8为采用本发明方法对互易换能器校准结果与出厂时自由场互易法校准结果对比图；

图9为采用本发明方法对接收换能器校准结果与出厂时自由场互易法校准结果对比图；

图10为采用本发明方法校准结果标准差；

图11为进行混响水池互易校准所需混响水池的最小容积。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明涉及水声换能器的混响水池互易校准方法。本发明包括：混响水池互易常数的测定和互易校准两个过程。在消声水池中，用任意一个无指向性的声源发射单频连续正弦信号，利用任意水听器测量出距离声源一米远处的开路输出电压e_f；在混响水池中利用相同装置并设置相同的收发参数，采用空间平均的方法测量水听器的开路输出电压均方值e_r。利用消声水池中测得的开路电压和混响水池中测得的开路电压均方根值计算得到混响水池互易常数。在混响水池中，采用空间平均法操作要求测量发射器的输入电流和接收器的开路输出电压，进行互易法水听器校准。本方法校准结果准确，可同时对多只水听器进行校准，并适用于任意形状的混响水池。

(1)根据待校准水声换能器(发射换能器或接收换能器)的待校准最低频率选取相应尺寸的混响水池。

(2)将任意一个无指向性声源和一个水听器组成发射接收换能器对，在消声水池内测量距离声源等效声中心1m远处开路输出电压。并记录仪器发射接收参数。

(3)将此发射接收换能器对放置于混响水池中，调节相同发射接收参数，采用空间平均法测量水听器开路输出电压。

(4)利用水听器在消声水池和混响水池测量得到的开路输出电压，计算混响水池的互易常数。

(5)在混响水池中，发射换能器发射声信号，互易换能器和接收换能器接收声信号，采用空间平均法测量互易换能器和接收换能器的开路输出电压。

(6)互易换能器发射声信号，接收换能器接收声信号，采用空间平均法测量互易换能器的输入电流和接收换能器的开路输出电压。

(7)利用测量到的电学值，计算互易换能器和接收换能器的自由场电压灵敏度。

混响水池的选择。根据待校准水声换能器(发射换能器或接收换能器)的待校准最低频率选取相应尺寸的混响水池。混响水池容积最小为V：

式中，待校准水声换能器校准最低频率f_l，水中声速c₀。

测量过程中采用空间平均法进行。空间平均法的具体操作过程如下：

第一步：混响移动区域的划分。将混响水池分为两个混响移动区域：发射移动区域和接收移动区域。混响移动区范围按照如下规则划分：

发射移动区域与接收移动区域距离应大于临界距离。临界距离为发射移动区域和接收移动区域边界之间的最小距离，其值是测试最低频率波长的2倍和混响半径的4倍中的最小值。发射移动区域和接收移动区域的区域边界与池壁(包括池底)和水面的距离应大于测试最低频率的1/4波长。

第二步：空间平均法测量。将发射器和接收器分别置于两个混响移动区域内。在测试过程中，发射器和接收器采用匀速、缓慢、随机的方式移动。在一次测量时间内发射器和接收器同时在各自的混响移动区内移动，移动速度小于0.1m/s，移动的路径应大于2倍波长，且尽量遍及各自混响移动区的所有位置，移动的随机性越强、时间越长对消除混响水池简正波的干涉处理越有利。

使用数据采集器进行电压采集，采用边移动边采集的方式，即在一次测量时间内，发射器和接收器开始移动后，数据采集器开始记录采集到的电压有效值。计算电压均方根值<e>为：

式中，e_i为采集到的电压有效值，N为采集点数。

需要指出的是，在进行空间平均过程中，随着采集点数(或采集时间)的增加，测量接收换能器开路输出电压均方值趋于定值。通过选取适当采集点数使得开路输出电压均方值波动幅度小于0.2％后，电压稳定，测得的电压均方根值为平均开路输出电压。

混响水池互易常数的测量计算。将声源和水听器放置于消声水池中，水听器处于声源远场距离。信号源输出单频连续正弦信号，水听器接收声信号由数据采集器记录水听器开路输出电压。实验中记录实验仪器中各项设定参数(信号源输出频率、电压值、功率放大器增益、水听器与声源等效声中心距离以及测试系统的其它测量参数等)。数据采集器测量记录水听器在各个频率下的开路输出电压e_test，并按照球面波扩散规律折算到距离声源1m远处的开路输出电压e_f：

e_f＝e_test·r

式中，e_test为水听器距离声源等效声中心距离r处测得的开路输出电压。

采用该混响水池互易常数测量系统，将声源和水听器放置于待校准混响水池中，保持相同的发射接收参数，应用空间平均法测量水听器开路输出电压并计算开路输出电压<e_r>。

根据在消声水池中测得的水听器开路电压e_f和在混响水池测得的开路输出电压<e_r>，计算得到混响水池中的混响水池互易常数J_r为：

式中，ρ为水的密度，f为测量频率，r_c为混响水池的混响半径，其值为e_f与<e_r>之比。

在混响水池中进行水声换能器互易法校准。校准使用三个换能器：发射换能器F、互易换能器H和接收换能器J，其发送响应和接收灵敏度都是未知的。换能器发射声信号时作为发射器，接收声信号时作为接收器。校准测量时将发射器和接收器分别置于发射移动区域和接收移动区域。

校准测量过程分两步进行，在测量频率范围内，信号源发射单频连续正弦信号，按照空间平均的方法操作，数据采集器测量记录各个频率下的电压值。

第一步，发射换能器F作为发射器放置于发射移动区域，互易换能器H和接收换能器J作为接收器放置于接收移动区域。应用空间平均法测量互易换能器H和接收换能器J的开路输出电压<e_FH>和<e_FJ>。

第二步，互易换能器H作为发射器放置于发射移动区域，接收换能器J作为接收器放置于接收移动区域。测量接收换能器J开路输出电压<e_HJ>和互易换能器H的输入电压<e_H>。

根据测量结果计算互易换能器H的自由场电压灵敏度M_H和接收换能器J的自由场电压灵敏度M_J：

下面，参照附图1对本发明进行详细说明。

本发明所描述的方法包括以下步骤：

(1)混响水池的选择。采用本发明方法在混响水池中进行水声换能器互易校准所选择的混响水池尺寸取决于待校准水声换能器的校准最低频率。如图11所示提供了校准最低频率与校准所需混响水池容积之间的参考关系。

由公式：

计算校准所需混响水池最小容积。式中，f_l为待校准水声换能器校准最低频率，c₀为水中声速。

(2)混响移动区域的划分。按照如下规则将混响水池分为两个混响移动区域：发射移动区域和接收移动区域。

混响移动区域划分规则：发射器和接收器的表面距离大于临界距离(临界距离至少大于测试最低频率波长的2倍或混响半径的4倍)，发射器和接收器表面与池壁(包括池底)和水面距离大于测试最低频率的1/4波长。

(3)消声水池中水听器开路电压测量。采用一套发射接收装置，包含信号源、功率放大器、声源、水听器、数据采集器、计算机，如图2。将声源和水听器放置于消声水池中，水听器与声源距离满足远场测量条件。信号源输出单频连续正弦信号，经功率放大器激励声源辐射，水听器接收声信号。测试过程中记录发射参数(信号源输出频率、电压值、增益等)，在声源远场中距离声源等效声中心一定距离处测量接收换能器的开路输出电压，并折算到距离声源1m远处的开路输出电压e_f。

e_f＝e_test·r

其中，e_test为水听器距离声源等效声中心距离r处测得的开路输出电压。

(4)混响水池中水听器开路电压测量。采用上述发射接收装置，将声源和水听器放置于混响水池内，空间平均法中混响移动区域划分方法，将声源和水听器分别置于两个移动区域内。保持相同的发射接收参数，利用数据采集器采用空间平均法测量水听器开路输出电压。

计算水听器开路输出电压均方根值<e_r>为：

式中，e_i为采集到的开路输出电压有效值，N为采集点数。

(5)混响水池互易常数计算。根据在消声水池中测得的水听器开路电压e_f和在混响水池测得的开路输出电压均方根值<e_r>，计算得到混响水池中各频率下的互易常数：

式中，ρ为水的密度，f为测量频率。

(6)混响水池水声换能器互易校准。进行水声换能器的混响水池互易校准，需要三只换能器：发射换能器F、互易换能器H和接收换能器J。其发射响应和接收灵敏度都是未知的。装置连接如图3所示。其中，采集器采集记录接收器开路输出电压和与发射器串联电阻的两端电压。

混响水池中互易校准测量的排布和步骤如图4所示。校准分两步进行，每一步将发射器置于发射移动区域，接收器置于接收移动区域。采用空间平均法进行操作。

第一步，发射换能器F作为发射器发射声信号，互易换能器H和接收换能器J作为接收器接收声信号。测量H和J的开路输出电压均方根e_FH和e_FJ。

第二步，互易换能器H作为发射器发射声信号，接收换能器J作为接收器接收声信号。测量J的开路输出电压均方根e_HJ和H的输入电压均方根e_H。

(7)根据测量结果计算互易换能器H易换能的自由场灵敏度M_H和接收换能器J的自由场电压灵敏度M_J：

计算互易换能器H的自由场电压灵敏度级M_HL和接收换能器J的自由场电压灵敏度级M_JL:

M_HL＝20lg(M_H/M_r)＝20lg(M_H)-120

M_JL＝20lg(M_J/M_r)＝20lg(M_J)-120

式中，M_r为自由场灵敏度基准值M_r＝1V/μP_a。

(8)下面以哈尔滨工程大学水声技术重点实验室的消声水池和混响箱为例，对本发明做详细说明。发射换能器采用EDO6829-17k无指向性声源，互易换能器采用B&K8105，接收换能器采用RHS(A)-20，接收换能器校准频率范围：2k-20kHz。功率放大器采用B&K2713，数据采集器采用B&KPULSE3560E动态信号分析仪。

根据校准最低频率，由公式：

式中，待校准水声换能器的最低频率f_l＝2kHz，水中声速c₀＝1450m/s。计算得到校准所需混响水池容积最小值为：40.5m³。实验室中混响箱长9m，宽3.1m，水深1.6m，混响箱内水的体积为44.6m³，根据图11可见，混响箱体积大于所需混响水池最小容积。因此，选择该混响箱满足水声换能器互易校准实验要求。

对混响箱进行混响移动区划分。混响移动区分为发射移动区域和接收移动区域。两个混响移动区边界与池壁(包括池底)和水面的距离大于校准最低频率波长的1/4，选取距离为0.18m；两区域间距大于测试最低频率波长的2倍，选取距离为3m。由于混响箱在长度方向上为对称结构，因此两个混响移动区划分为对称的两个尺寸为2.82m×2.74m×1.24m的立方体区域。如图5图6所示。

在水声技术重点实验室消声水池中，将发射换能器和接收换能器放置于消声水池5m深处，二者等效声中心间距r＝2m。信号源在2k-20kHz范围内按1/3倍频程输出单频连续正弦信号，电信号有效值800mV，功放调至40dB固定增益档位，采集频率分辨率4Hz，分析频率范围0-25.6kHz。测量水听器开路输出电压e_test折算到声源等效声中心1m远处开路输出电压e_f。

e_f＝e_test·r

将发射换能器和接收换能器放置于混响箱中，发射换能器置于发射移动区域，接收换能器置于接收移动区域。采用与消声水池测量相同的发射接收参数，采用本发明中说明的空间平均法测量。其中数据采集器设定采集时间120s,共采集点数N＝480。数据采集器采集到的开路输出电压有效值e_i，计算输出开路输出电压<e_r>：

根据消声水池测量得到的开路输出电压e_f和混响箱中测得的开路输出电压<e_r>，由公式：

计算得到混响箱中混响水池互易常数J_r。式中，水的密度ρ＝1000kg/m³，该混响箱互易常数计算值如图7所示。

进行混响箱中水声换能器互易校准测量。在功率放大器与发射器之间低电位上串联一个1Ω的标准电阻，并用数据采集器测量标准电阻两端电压<e_in>，测量的电阻两端电压即发射器的输入电流i。

第一步：将发射换能器F作为发射器置于发射移动区域，互易水听器H和接收换能器J作为接收器置于接收移动区域。信号源在2k-20kHz范围内按1/3倍频程输出单频连续正弦信号，有效值800mV，功率放大器调至40dB，固定增益档位，采集频率分辨率4Hz，分析频率范围0-25.6kHz，数据采集器设定采集时间120s,共采集点数N＝480。采用空间平均法测量互易换能器开路电压<e_FH>和接收换能器的开路输出电压<e_FJ>。

第二步：将互易换能器H作为发射器置于发射移动区域，接收换能器J作为接收器置于接收移动区域。保持其它参数不变，仅将功率放大器放大倍数调至30dB。调节频率，开始测量，采用空间平均法进行发射器和接收器的空间移动，并测量接收换能器开路输出电压<e_HJ>，同时测量测量标准电阻两端电压<e_H>。

根据以上两步测量数据，根据公式：

计算得到互易换能器H的自由场灵敏度M_H和接收换能器J的自由场电压灵敏度M_J。

将计算得到的两只换能器自由场中电压灵敏度级与出厂时采用自由场校准结果对比如图7和图8所示。

结果分析：采用本发明提供的混响水池水声换能器互易校准方法，校准结果与出厂时采用自由场校准结果非常吻合，互易换能器测量误差小于0.5dB，接收水听器测量误差小于0.7dB。随着频率的增加，测量结果更加准确。对校准结果进行不确定度分析，标准偏差如图10所示，测量得到的互易换能器灵敏度级最大标准差不超过0.3dB，A类不确定度为0.12dB。接收换能器最大标准差不超过0.32dB，A类不确定度为0.13dB。因此采用本方法进行水声换能器互易校准是完全可信的。互易法校准的不确定度当频率低于100kHz时优于0.7dB。

Claims (4)

1.一种利用混响水池进行水声换能器互易校准的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据待校准水声换能器的待校准最低频率选取相应尺寸的混响水池；

(2)将任意一个无指向性声源和一个水听器组成发射接收换能器对，在消声水池内测量距离声源等效声中心1m远处开路输出电压并记录仪器发射接收参数；

(3)将此发射接收换能器对放置于混响水池中，调节相同发射接收参数，采用空间平均法测量水听器开路输出电压；

(4)利用水听器在消声水池和混响水池测量得到的开路输出电压，计算混响水池的互易常数；

(5)在混响水池中，发射换能器发射声信号，互易换能器和接收换能器接收声信号，采用空间平均法测量互易换能器和接收换能器的开路输出电压；

(6)互易换能器发射声信号，接收换能器接收声信号，采用空间平均法测量互易换能器的输入电流和接收换能器的开路输出电压；

(7)利用测量到的电学值，计算互易换能器和接收换能器的自由场电压灵敏度。

2.根据权利要求1所述的一种利用混响水池进行水声换能器互易校准的方法，其特征在于：所述的混响水池的选择，根据待校准水声换能器的待校准最低频率选取相应尺寸的混响水池；混响水池容积最小为V：

$V=\frac{{f_l}^2}{6{\mathrm{\&pi;c}}_0^3}$

式中，待校准水声换能器校准最低频率f_l，水中声速c₀。

3.根据权利要求1所述的一种利用混响水池进行水声换能器互易校准的方法，其特征在于，所述空间平均法的具体操作过程如下：

(1)混响移动区域的划分；将混响水池分为两个混响移动区域：发射移动区域和接收移动区域；混响移动区范围按照如下规则划分：射移动区域与接收移动区域距离大于临界距离；临界距离为发射移动区域和接收移动区域边界之间的最小距离，其值是测试最低频率波长的2倍和混响半径的4倍中的最小值；发射移动区域和接收移动区域的区域边界与池壁和水面的距离大于测试最低频率的1/4波长；

(2)空间平均法测量；将发射器和接收器分别置于两个混响移动区域内；在测试过程中，发射器和接收器采用匀速、缓慢、随机的方式移动；在一次测量时间内发射器和接收器同时在各自的混响移动区内移动，移动速度小于0.1m/s，移动的路径大于2倍波长。

4.根据权利要求1所述的一种利用混响水池进行水声换能器互易校准的方法，其特征在于，使用数据采集器进行所述电压的采集，采用边移动边采集的方式，即在一次测量时间内，发射器和接收器开始移动后，数据采集器开始记录采集到的电压有效值；计算电压均方根值<e>为：

$<e>={\left(\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{e}_i^2\right)}^{1/2}$

式中，e_i为采集到的电压有效值，N为采集点数。