CN108594238B - 基于瞬态信号的水声换能器电声性能校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于瞬态信号的水声换能器电声性能校准装置及校准方法，校准方法包括：由信号源产生测试频率的正弦脉冲信号，正弦脉冲信号激励功率放大器，功率放大器放大信号驱动水下发射器产生瞬态声信号，建立瞬态声场；根据试验水池尺寸和换能器测量频率，通过直达波和反射波到达接收换能器时间确定水听器与水下发射器之间最佳测试距离，按最佳测试距离放置发射换能器和接收换能器，将发射换能器和接收换能器置放在试验水池同一深度处；将接收换能器接收到信号经前置放大器和测量放大器放大后，通过数据采集器进行采集并存储；对采集的数据采用瞬态信号处理方法进行处理，具有对测试空间尺寸要求不高，测试频率下限低，以及校准精度高等优点。

Description

基于瞬态信号的水声换能器电声性能校准装置及校准方法

技术领域

本发明涉及一种水声换能器电声性能校准装置，特别是一种基于瞬态信号的水声换能器电声性能校准装置及基于此装置的校准方法。

背景技术

水声换能器的电声性能参数，包括水声接收换能器和发射换能器的电阻抗参数和指向性及接收器的灵敏度、发射器的发送响应，等。目前，国内外对上述参数的校准，通常采用自由场、混响场方法，或者声管和耦合腔等，比如自由场的互易方法、比较方法，混响场的比较方法以及驻波管校准方法和耦合腔校准方法，还有静电激励方法、振动液注方法、激光干涉方法，等等。尽管方法众多，但是从选用的激励信号来讲，一般就是连续信号和脉冲信号，以及噪声信号三种。从接收信号来讲，选取的一般都是稳态信号，或者通过信号处理的方法对瞬态信号进行补偿，从而得到修正的稳态信号，比如声脉冲瞬态抑制技术、信号建模技术等。

比如，(1)金晓峰，袁文俊.一种新的水声换能器瞬态校准方法.声学学报，1996。这篇文章中是通过设计最小相位信号来补偿换能器发射特性的起伏，从而减少接收信号的瞬态成分；(2)陈毅，袁文俊.水声测量用声脉冲瞬态抑制方法的理论研究.声学与电子工程，1999。这篇文章中是利用瞬态抑制方法等效消除发射器的瞬态过程，使它在介质中产生无瞬态过程的声信号；(3)尚建华，胡其望，张明敏，王鹏.水声测试中三种瞬态信号抑制方法的研究.中国西部声学会议论文集，2012.这篇文章中为了实地生成水声测试信号，由信号源产生特定的信号波形激励发射换能器，使接收器接收到无瞬态过程的声压波形，研究了三种根据测试系统频响特性设计瞬态抑制的发射信号的方法，通过计算机Matlab平台编程控制声卡发送及接收信号，在水池进行实验实现了这几种方法，通过实验发现，合理的调整各参数(发射信号长度、接收信号长度、发射及接收延迟、FFT计算的点数等),能取得满意的效果。上述工作都是一个目的：降低在有限空间内校准水声换能器的下限频率。

因此，针对脉冲信号测试中的瞬态信号，如果直接利用，而不采取其它手段，目前尚未有报道。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种直接利用瞬态信号来校准且对测试空间尺寸要求不高的基于瞬态信号的水声换能器电声性能校准装置及校准方法。

为解决上述技术问题，本发明一种基于瞬态信号的水声换能器电声性能校准装置，包括：测试空间及附件部分、发射系统、接收系统以及信号处理系统，测试空间及附件部分包括充满水介质的测试水池、吊放发射换能器和接收换能器的装置、旋转装置；发射系统包括产生正弦脉冲信号的信号发生器、对正弦脉冲信号进行能量放大的功率放大器、对功率放大器和发射换能器之间信号进行匹配的匹配电路、发射换能器；接收系统包括接收换能器、对接收换能器输出进行匹配的前置放大器、对接收信号进行放大的测量放大器、对接收信号进行采集、储存的采集器；信号处理系统包括信号处理器和信号处理软件；

旋转装置安装在吊放发射换能器和接收换能器的装置上，发射换能器和接收换能器安装在旋转装置上并置于水介质内，信号发生器产生测试频率的正弦脉冲信号，正弦脉冲信号经功率放大器激励放大，然后通过匹配电路匹配后驱动水下发射器产生具有不失真特征的瞬态声信号并建立瞬态声场；接收换能器接收到的信号经前置放大器和测量放大器放大后，通过数据采集器进行数据采集，并存储；利用信号处理器和信号处理软件对测得的数据进行处理。

本发明还包括一种利用以上基于瞬态信号的水声换能器电声性能校准装置的校准方法，包括以下步骤：

步骤一：由信号源产生测试频率的正弦脉冲信号，正弦脉冲信号激励功率放大器，功率放大器放大信号驱动水下发射器产生具有不失真特征的瞬态声信号，建立起瞬态声场；

步骤二：根据试验水池尺寸和换能器测量频率，通过直达波和反射波到达接收换能器的时间来确定水听器与水下发射器之间的最佳测试距离，按最佳测试距离放置发射换能器和接收换能器，并将发射换能器和接收换能器置放在试验水池同一深度处；

步骤三：将接收换能器接收到的信号经前置放大器和测量放大器放大后，通过数据采集器进行采集，并存储；

步骤四：对采集的数据采用瞬态信号处理方法进行处理。

本发明一种利用以上基于瞬态信号的水声换能器电声性能校准装置的校准方法，还包括：

步骤四所述瞬态信号处理方法包括：

S1：根据发射换能器和接收换能器之间的测试距离计算声波到达接收换能器的时间t₀，t₀满足：

其中d为发射换能器和接收换能器之间距离，c为声波在水介质中传播速度；

S2：确定第一反射波到达接收换能器时间

满足：

其中r₁为第一个反射体到接收换能器的距离；

S3：确定截取的步骤三中采集数据信号长度Δt，Δt满足：

S4：从Δt时间内截取1.5Q₀周的有效测试信号，Q₀为发射换能器和接收换能器组成的收发系统的理论品质因数值；

S5：根据S4获得有效测试信号的瞬态信号幅度ξ(t)，获得直达波的稳态部分的幅度值ξ_max，ξ(t)和ξ_max满足：

其中，f₀是发射换能器和接收换能器组成的收发系统的谐振频率；

S6：判断是否满足自由场条件，如果满足，则根据S5获得的瞬态信号幅度ξ(t)和直达波的稳态部分的幅度值ξ_max，通过公式(1)计算获得收发系统的Q₀值；如果不满足，则根据S5方法获得的瞬态信号幅度ξ(t)计算直达波的稳态部分的幅度值ξ_max，利用ξ_max计算接收换能器和发射换能器的电声参数，电声参数包括发送响应、灵敏度。

本发明的有益效果：本发明直接利用瞬态信号来校准，具有对测试空间尺寸要求不高，测试频率下限低，以及校准精度高等优点，可以有效降低在有限空间内进行水声换能器电声参数测量的下限频率范围；能够完成对发射器的品质因数的动态特性测量，这对于大功率低频发射器的校准意义重大；本发明可以有效地降低了来自水池有限空间内反射信号对低频测量的影响，使有限空间内低频测量频率下限得以扩展，为水声换能器有限空间内校准提供了新方法。本发明可以广泛应用于水声工程各领域，满足了对试验水池有限空间内低频、甚低频校准的需求，比如，甚低频水听器的实验室校准、水下低频目标探测系统的实验室校准以及其他水声低频测试等。

附图说明

附图1为系统结构示意图；

附图2为本发明方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括测试空间及附件1、发射系统2、接收系统3以及信号处理系统4等四部分。其中：测试空间及附件1包括充满水介质1.1的测试水池(或水箱、水槽等)1.2，以及吊放水声换能器的装置1.3和旋转装置1.4；发射系统2包括能够产生测试需要的正弦脉冲信号的信号发生器2.1，和能够对信号进行能量放大的功率放大器2.2，以及能够完成对功率放大器和发射器之间的信号匹配的匹配电路2.3和发射换能器2.4；接收系统3包括接收换能器3.1，和能够对接收器输出进行匹配的前置放大器3.2，能够对接收信号进行放大的测量放大器3.3，以及能够对接收信号进行采集、储存的采集器3.4；信号处理系统4包括信号处理器4.1和信号处理软件4.2。

测试前，首先将水介质1.1充满测试水池(或水箱、水槽等)1.2；然后根据被测参数的基本测试方法要求，将发射换能器2.4和接收换能器3.1及其他辅助换能器安装在吊放水声换能器的装置1.3或旋转装置1.4上。发射换能器2.4和接收换能器3.1所在横截面距离水池水面和水池底距离相等。

如图2所示，测试时，首先，由发射系统2中的信号发生器2.1产生相应测试频率的线性正弦脉冲信号，然后激励功率放大器2.2，通过匹配电路2.3匹配后，去驱动水下发射器2.4产生具有不失真特征的瞬态声信号并建立瞬态声场；其次，将水声接收换能器3.1接收到的信号经前置放大器3.2和测量放大器3.3放大后，通过数据采集器3.4进行数据采集，并存储；最后，利用信号处理器4.1和信号处理软件4.2对测得的数据进行处理。(5)数据处理方法流程是：首先，根据水听器与发射器之间的测试距离计算声波到达接收器的时间t₀4.2.1，即

然后，根据第一反射波到达时间

确定截取的信号长度Δt4.2.3，即

最后，根据收发系统的Q₀值大小，从Δt时间内截取1.5Q₀周的有效测试信号4.2.4，再根据由某一时间点处的瞬态信号幅度计算稳态信号幅度的表达式4.2.5(见理论依据公式1)获得直达波的稳态部分的幅度值；(6)根据声场空间尺度和测量频率，如果满足自由场条件，则可以利用步骤(5)方法获得的瞬态信号和稳态信号之间的关系测量收发系统的发射器Q₀值大小4.2.6；如果不满足自由场条件，则可以利用步骤(5)方法获得的瞬态信号直接计算稳态信号，从而利用稳态信号再测量水声换能器的发送响应、灵敏度等电声参数4.2.7。

本发明实施方式还包括:

(1)由信号源产生相应测试频率的线性正弦信号，通过激励功率放大器去驱动水下发射器产生具有不失真特征的瞬态声信号，从而建立起瞬态声场；(2)根据试验水池有限空间尺度和测量频率，通过直达波和反射波到达接收器的时间来确定水听器与发射器之间的最佳测试距离，并将水听器置放在发射器同一深度处；发射换能器和接收换能器所在横截面距离水池水面和水池底距离相等；(3)将水听器接收到的信号经前置放大器放大后，通过数据采集器进行数据采集，并存储；(4)对测得的数据采用瞬态信号处理方法进行处理：首先，根据水听器与发射器之间的测试距离计算声波到达接收器的时间，即

然后，根据第一反射波到达时间

确定截取的信号长度，即

最后，根据收发系统的Q₀值大小，从Δt时间内截取1.5Q₀周的有效测试信号，再根据由某一时间点处的瞬态信号幅度计算稳态信号幅度的表达式(见理论依据公式1)获得直达波的稳态部分的幅度值；(5)根据声场空间尺度和测量频率，如果满足自由场条件，则可以利用步骤(4)方法获得的瞬态信号和稳态信号之间的关系计算收发系统的Q₀值大小；如果不满足自由场条件，则可以利用步骤(4)方法获得的瞬态信号直接计算稳态信号，从而利用稳态信号再计算水声换能器的发送响应、灵敏度等电声参数。

本发明的基本理论依据：在任何一个声学测试系统中，通过合理的选择收发换能器之间的间距，一定可以保证直达波最先到达接收器，只是达到接收器的直达波收到测试频率和测试空间限制不能保证达到稳态。因此，有效的利用瞬态直达波也可以完成校准。

由水声发射器和接收器组成的收发测试系统可以等效类比成振荡的机电系统，因此，在压电材料制作的发射换能器开始得到电激励时，需要储存一定数量的能量，随着时间的增加，系统负载储存的能量才能趋向饱和，因此外部激励需要经过Q₀周信号以后振荡信号才能随着系统负载储存能量的饱和而慢慢建立起来，其中Q₀是发射系统的品质因数。当达到1.5Q₀周以后振动幅度可以达到稳态的99％，这段时间是脉冲的起始时间，成为瞬态过程(或瞬态时间)。如果采用稳态信号测量方法，则激励信号的长度不能小于瞬态时间，也因此会带来各种反射信号的干扰，从而使测量频率和测试空间受到限制。

理论上，正弦脉冲信号激励下的发射系统产生的瞬态过程中的振荡信号幅度与振荡时间的关系如下：

其中：ξ_max是系统达到稳态时的幅度值；f₀是系统谐振频率；Q₀是系统的品质因数。

由公式(1)可以看出：如果已知瞬态信号ξ(t)某一时间点处的幅度，则可以计算得到系统达到稳态时的幅度值ξ_max。

Claims (1)

1.一种基于瞬态信号的水声换能器电声性能校准装置的校准方法，所述装置包括测试空间及附件部分、发射系统、接收系统以及信号处理系统，测试空间及附件部分包括充满水介质的测试水池、吊放发射换能器和接收换能器的装置、旋转装置；发射系统包括产生正弦脉冲信号的信号发生器、对正弦脉冲信号进行能量放大的功率放大器、对功率放大器和发射换能器之间信号进行匹配的匹配电路、发射换能器；接收系统包括接收换能器、对接收换能器输出进行匹配的前置放大器、对接收信号进行放大的测量放大器、对接收信号进行采集、储存的采集器；信号处理系统包括信号处理器和信号处理软件；

旋转装置安装在吊放发射换能器和接收换能器的装置上，发射换能器和接收换能器安装在旋转装置上并置于水介质内，信号发生器产生测试频率的正弦脉冲信号，正弦脉冲信号经功率放大器激励放大，然后通过匹配电路匹配后驱动发射换能器产生具有不失真特征的瞬态声信号并建立瞬态声场；接收换能器接收到的信号经前置放大器和测量放大器放大后，通过数据采集器进行数据采集，并存储；利用信号处理器和信号处理软件对测得的数据进行处理；

基于所述装置的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：由信号发生器产生测试频率的正弦脉冲信号，正弦脉冲信号激励功率放大器，功率放大器放大信号通过匹配电路后驱动发射换能器产生具有不失真特征的瞬态声信号，建立起瞬态声场；

步骤二：根据试验水池尺寸和换能器测量频率，通过直达波和反射波到达接收换能器的时间来确定接收换能器与发射换能器之间的最佳测试距离，按最佳测试距离放置发射换能器和接收换能器，并将发射换能器和接收换能器置放在试验水池同一深度处；

步骤三：将接收换能器接收到的信号经前置放大器和测量放大器放大后，通过数据采集器进行采集，并存储；

步骤四：对采集的数据采用瞬态信号处理方法进行处理；

步骤四所述瞬态信号处理方法包括：

S1：根据发射换能器和接收换能器之间的测试距离计算声波到达接收换能器的时间t₀，t₀满足：

其中d为发射换能器和接收换能器之间距离，c为声波在水介质中传播速度；

S2：确定第一反射波到达接收换能器时间

满足：

其中r₁为第一个反射体到接收换能器的距离；

S3：确定截取的步骤三中采集数据信号长度Δt，Δt满足：

S4：从Δt时间内截取1.5Q₀周的有效测试信号，Q₀为发射换能器和接收换能器组成的收发系统的理论品质因数值；

S5：根据S4获得有效测试信号的瞬态信号幅度ξ(t)，获得直达波的稳态部分的幅度值ξ_max，ξ(t)和ξ_max满足：

其中，f₀是发射换能器和接收换能器组成的收发系统的谐振频率；

S6：判断是否满足自由场条件，如果满足，则根据S5获得的瞬态信号幅度ξ(t)和直达波的稳态部分的幅度值ξ_max，通过公式(1)计算获得收发系统的Q₀值；如果不满足，则根据S5方法获得的瞬态信号幅度ξ(t)计算直达波的稳态部分的幅度值ξ_max，利用ξ_max计算接收换能器和发射换能器的电声参数，电声参数包括发送响应、灵敏度。

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