CN108709634A - 一种声波换能器灵敏度测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声波换能器灵敏度测量装置，包括：真空泵及测量系统、气压罐、被测试声波换能器、标准换能器、导轨、换能器激励系统和信号接收放大系统。基于本装置可以通过预设气压环境，换能器激励系统激励被测试声波换能器发射声波信号，通过不同距离接收的声波信号，计算气压环境的衰减系数，进而计算所述被测试声波换能器发射的声波信号幅度值及其灵敏度。装置简单、实施方法易操作、测拭结果直观准确。易于被换能器生产商、研究和使用方掌握。不仅可用于低气压大气环境使用，还可用于行星表面不同气体种类中声波换能器灵敏度的测试。

Description

一种声波换能器灵敏度测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及高空大气环境以及行星表面等低气压环境中声波测量领域，尤其涉及一种声波换能器灵敏度测量装置及其方法。

背景技术

深空探测尤其是对太阳系其他行星及其卫星的探测已经成为未来航天计划的重要组成部分。相比月球的寂静，一些行星及其卫星表面因为具有稀薄/浓密的大气层是有声世界，存在利用声音记录和探测这些神秘星球的可能。火星表面大气成分为二氧化碳,气压为1000Pa左右，国外已经有利用声波测量火星大气风速的尝试。

由于低气压环境或非空气环境下气体的性质、密度和常压大气环境下差别很大，因此声波换能器的发射、接收灵敏度都将发生变化，因此需要根据应用环境对其灵敏度测试。

关于声波换能器的测试方法主要有标准声源法、互易法来标定换能器的性质。这些方法都有很高的精度，需要一个标定好的标准声源或标准声波换能器进行比对待测换能器，从而得到待测换能器的发射、接收灵敏度。

虽然上述方法能够解决大气环境中声波换能器的测试问题，但是这些方法并不适用于低气压环境中的声波换能器测试。首先是因为这些方法中声波传播距离较短，没有考虑声波衰减，但是在低压环境中声波衰减剧烈,被测换能器接收到的声波强度中有一部分是被大气衰减掉，而不是换能器效率降低引起的。其次，这些方法所需的标准声源或标准声波换能器都是在大气环境中标定的，因此在低气压环境中其性能将发生变化，将不能作为标准源来测试换能器。最后，这些方法的设备较复杂，无法在低压环境中工作。

换能器生产厂商在测试产品发射接收灵敏度时,通常采用反射法,即在换能器距离一定距离处放置反射平面，以一定电压驱动换能器发射声波，声波到达反射面后被反方面反射回换能器。将接收声信号的输出电信号值与激发点信号值的比值定义为换能器的发射、接收灵敏度，这种方法简单易懂。但是这种方法认为在小传播距离情况下忽略空气的声衰减。

在低气压环境中，声波的衰减剧烈，1000Pa气压空气环境中声衰减是大气压中的5000倍以上。因此不能忽略空气的声衰减,这种反射法不能用于测试低气压环境中换能器灵敏度。

发明内容

本发明提供了一种声波换能器灵敏度测量装置，包括：真空泵及测量系统1、气压罐2、被测试声波换能器3、标准换能器4a、导轨5、换能器激励系统8和信号接收放大系统9。其中，真空泵及测量系统1通过导气管与气压罐2联通。导轨5固定于气压罐2腔体内底面。被测试声波换能器3和标准换能器4a通过支架固定在导轨5上。被测试声波换能器3与换能器激励系统8连接。标准换能器4a与信号接收放大系统9连接。

优选地，该灵敏度测量装置，还包括：第一信号线6a、第二信号线6b、第一法兰7a和第二法兰7b。其中，第一信号6a一端连接被测试声波换能器3，另一端穿过第一法兰7a与换能器激励系统8连接。第二信号6b一端连接标准换能器4a，另一端穿过第二法兰7b与信号接收放大系统9连接。

优选地，真空泵及测量系统1用于调整气压罐2中气压强度和/或调整气压罐2中气体种类。

优选地，该灵敏度测量装置，还包括：反射板4b。被测试声波换能器3和反射板4b通过支架固定在导轨5上。被测试声波换能器3与换能器激励系统8以及信号接收放大系统9连接。

优选地，该灵敏度测量装置，还包括：第一信号线6a、第二信号线6b和第一法兰7a。其中，第一信号6a一端连接被测试声波换能器3，另一端穿过第一法兰7a与换能器激励系统8连接。第二信号6b一端连接被测试声波换能器3，另一端穿过第一法兰7a与信号接收放大系统9连接。

优选地，真空泵及测量系统1用于制造预设气压和/或气体环境。气压罐2用于稳定预设气压环境。标准换能器4a用于接收被测试声波换能器3发射的声波信号。反射板4b用于反射被测试声波换能器3发射的声波信号。导轨5用于固定被测试声波换能器3、标准换能器4a和反射板4b的位置。换能器激励系统8用于激励被测试声波换能器3发射声波信号。

信号接收放大系统9用于被测试声波换能器3或标准换能器4a的示数。

另一方面，一种声波换能器灵敏度测量方法，包括以下步骤：

预设气压环境下，换能器激励系统8通过激励电压激励被测试声波换能器3发射声波信号；

与被测试声波换能器3间隔第一预设距离的标准换能器4a接收第一声波信号；

改变被测试声波换能器3和标准换能器4a间隔为第二预设距离；

标准换能器4a接收第二声波信号；

通过第一声波信号和第二声波信号，计算预设气压环境的衰减系数；

计算被测试声波换能器3发射的声波信号幅度值；

计算被测试声波换能器3发射的灵敏度。

优选地，该测量方法还包括以下步骤：

与被测试声波换能器3间隔第一预设距离的反射板4b反射第一声波信号；

被测试声波换能器3接收第一声波信号；

改变被测试声波换能器3和反射板4b间隔为第二预设距离，并反射第二声波信号；

被测试声波换能器3接收第二声波信号；

优选地，第一预设距离大于第二预设距离。

优选地，预设气压环境包括标准气压环境、低气压环境和非空气环境。

本发明的优点在于：装置简单、实施方法易操作、测拭结果直观准确。易于被换能器生产商、研究和使用方掌握。该方法不仅可用于低气压大气环境使用，还可用于行星表面不同气体种类中声波换能器灵敏度的测试。

附图说明

为了更清楚说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一的装置示意图；

图2为本发明实施例二的装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

声波在空气中传播时，其幅度随传播距离按指数衰减，衰减系数为α。大气环境中由于衰减系数较小，近距离传播时不考虑这个衰减量。在低气压环境中声波的衰减非常大，因此在测量换能器灵敏度的时候需要考虑声波传播过程中声波的衰减对接收声信号的影响。

在激励电压U作用下，换能器发射出的声波幅度，即换能器表面(传播距离为0)的声波幅度为U₀。换能器发出声波信号后，测量第一预设距离L₁接收到的声信号U₁，改变传播距离，测量第二预设距离L₂接收到的声信号U₂，其中第一预设距离L₁大于第二预设距离L₂。由此可得：因此可计算出衰减系数为

将衰减系数α代入式中，即可计算出换能器发射出的声波幅度U₀，则换能器的灵敏度为20×Log(U₀/U)(dB)。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明。

实施例一

图1为本发明实施例一的装置示意图，如图1所示。1为真空泵及测量系统、2为气压罐、3为被测试声波换能器、4a为标准换能器、5为导轨、6a为第一信号线、6b为第二信号线、7a为第一法兰、7b为第二法兰、8为换能器激励系统、9为信号接收放大系统。

其中，真空泵及测量系统1通过导气管与气压罐2联通，用于制造和稳定预设气压和/或气体环境。导轨5固定于气压罐2腔体内底面。被测试声波换能器3和标准换能器4a通过支架固定在导轨5上。被测试声波换能器3通过第一信号线6a与换能器激励系统8连接，第一信号6a一端连接被测试声波换能器3，另一端穿过第一法兰7a与换能器激励系统8连接。标准换能器4a通过第二信号6b与信号接收放大系统9连接，第二信号6b一端连接标准换能器4a，另一端穿过第二法兰7b与信号接收放大系统9连接。

其中，换能器激励系统8用于激励被测试声波换能器3发射声波信号。信号接收放大系统9用于标准换能器4a的示数。

预设气压为1000Pa大气环境，此时用来模拟距离地面10-20KM高空环境，可测试用于高空的声波换能器。

将被测试声波换能器3与标准换能器4a固定在导轨5的支架上，被测试声波换能器3与标准换能器4a间距为第一预设距离20cm，连接好第一信号线6a和第二信号线6b后，密封气压罐2。打开真空泵开始抽气，当气压罐2内气压为1000Pa时，关闭真空泵。打开换能器激励信系统8，发射激励信号为10周期的脉冲信号，信号电压幅度为U。激励被测试声波换能器3发射声波。同时信号接收放大系统9接收标准换能器4a接收到的第一声波信号U₁＝U₀e^-α×0.2m，其中U₀为被测试声波换能器3的声波幅值。

改变导轨上支架的距离，使被测试声波换能器3与标准换能器4a间距为第二预设距离10cm，重复上面步骤，接收同样电压幅度为U的声波传播10cm后的第二声波信号U₂＝U₀e^-α×0.1m。由前所述计算方法可得到声波在1000Pa气压环境中的衰减系数然后将α代入U₁＝U₀e^-α×0.2m计算出U₀为被测换能器发射的声波幅度值，此时的声波幅度值没有包含空气对声波幅度的衰减，因此可以用来表示换能器的发射灵敏度为20×Log(U₀/U)(dB)。

实施例二

图2为本发明实施例二的装置示意图，如图2所示。1为真空泵及测量系统、2为气压罐、3为被测试声波换能器、4b为反射板、5为导轨、6a为第一信号线、7a为第一法兰、8和9为换能器激励系统和信号接收放大系统。

其中，真空泵及测量系统1通过导气管与气压罐2联通，用于制造和稳定预设气压和/或气体环境。导轨5固定于气压罐2腔体内底面。被测试声波换能器3和反射板4b通过支架固定在导轨5上。被测试声波换能器3通过第一信号线6a与换能器激励系统8和信号接收放大系统9连接，第一信号6a一端连接被测试声波换能器3，另一端穿过第一法兰7a与换能器激励系统8和信号接收放大系统9连接。

其中，换能器激励系统8用于激励被测试声波换能器3发射声波信号。信号接收放大系统9用于被测试声波换能器3接收回波的示数。

预设气压为1000Pa大气环境，此时用来模拟距离地面10-20KM高空环境，可测试用于高空的声波换能器。

将被测试声波换能器3与反射板4b固定在导轨5的支架上，被测试声波换能器3与反射板4b间距为第一预设距离15cm，连接好第一信号线6a后，密封气压罐2。打开真空泵开始抽气，当气压罐2内气压为1000Pa时，关闭真空泵。打开换能器激励信系统8，发射激励信号为10周期的脉冲信号，信号电压幅度为U。激励被测试声波换能器3发射声波。同时信号接收放大系统9接收由反射板4b反射的第一声波信号U₁＝U₀e^-α×0.3m，其中U₀为被测试声波换能器3的声波幅值。

改变导轨上支架的距离，使被测试声波换能器3与反射板4b间距为第二预设距离10cm，重复上面步骤，接收同样电压幅度为U的声波传播20cm后的第二声波信号U₂＝U₀e^-α×0.2m。由前所述计算方法可得到声波在1000Pa气压环境中的衰减系数然后然后将α代入U₁＝U₀e^-α×0.3m计算出U₀，为被测换能器发射的声波幅度值，此时的声波幅度值没有包含空气对声波幅度的衰减，因此可以用来表示换能器的发射灵敏度为20×Log(U₀/U)(dB)。

本发明实施例提供了一种声波换能器灵敏度测量装置及其方法，装置简单、实施方法易操作、测拭结果直观准确。易于被换能器生产商、研究和使用方掌握。该方法不仅可用于低气压大气环境使用，还可用于行星表面不同气体种类中声波换能器灵敏度的测试。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种声波换能器灵敏度测量装置，其特征在于，包括：真空泵及测量系统(1)、气压罐(2)、被测试声波换能器(3)、标准换能器(4a)、导轨(5)、换能器激励系统(8)和信号接收放大系统(9)；其中，

所述真空泵及测量系统(1)通过导气管与气压罐(2)联通；

所述导轨(5)固定于气压罐(2)腔体内底面；

所述被测试声波换能器(3)和所述标准换能器(4a)通过支架固定在所述导轨(5)上；

所述被测试声波换能器(3)与所述换能器激励系统(8)连接；

所述标准换能器(4a)与所述信号接收放大系统(9)连接。

2.根据权利要求1所述的灵敏度测量装置，其特征在于，还包括：第一信号线(6a)、第二信号线(6b)、第一法兰(7a)和第二法兰(7b)；其中，

所述第一信号(6a)一端连接所述被测试声波换能器(3)，另一端穿过所述第一法兰(7a)与所述换能器激励系统(8)连接；

所述第二信号(6b)一端连接所述标准换能器(4a)，另一端穿过所述第二法兰(7b)与所述信号接收放大系统(9)连接。

3.根据权利要求1所述的灵敏度测量装置，其特征在于，所述真空泵及测量系统(1)用于调整气压罐(2)中气压强度和/或调整气压罐(2)中气体种类。

4.根据权利要求1所述的灵敏度测量装置，其特征在于，还包括：反射板(4b)；所述被测试声波换能器(3)和所述反射板(4b)通过支架固定在所述导轨(5)上；所述被测试声波换能器(3)与所述换能器激励系统(8)以及所述信号接收放大系统(9)连接。

5.根据权利要求4所述的灵敏度测量装置，其特征在于，还包括：第一信号线(6a)、第二信号线(6b)和第一法兰(7a)；其中，

所述第一信号(6a)一端连接所述被测试声波换能器(3)，另一端穿过所述第一法兰(7a)与所述换能器激励系统(8)连接；

所述第二信号(6b)一端连接所述被测试声波换能器(3)，另一端穿过所述第一法兰(7a)与所述信号接收放大系统(9)连接。

6.根据权利要求1所述的灵敏度测量装置，其特征在于，

所述真空泵及测量系统(1)用于制造预设气压和/或气体环境；

所述气压罐(2)用于稳定所述预设气压环境；

所述标准换能器(4a)用于接收所述被测试声波换能器(3)发射的声波信号；

所述反射板(4b)用于反射所述被测试声波换能器(3)发射的声波信号；

所述导轨(5)用于固定所述被测试声波换能器(3)、所述标准换能器(4a)和所述反射板(4b)的位置；

所述换能器激励系统(8)用于激励所述被测试声波换能器(3)发射声波信号；

所述信号接收放大系统(9)用于所述被测试声波换能器(3)或标准换能器(4a)的示数。

7.一种声波换能器灵敏度测量方法，应用于如权利要求1所述的声波换能器灵敏度测量装置中，其特征在于，包括以下步骤：

预设气压环境下，换能器激励系统(8)通过激励电压激励被测试声波换能器(3)发射声波信号；

与所述被测试声波换能器(3)间隔第一预设距离的标准换能器(4a)接收第一声波信号；

改变所述被测试声波换能器(3)和所述标准换能器(4a)间隔为第二预设距离；

所述标准换能器(4a)接收第二声波信号；

通过所述第一声波信号和所述第二声波信号，计算所述预设气压环境的衰减系数；

计算所述被测试声波换能器(3)发射的声波信号幅度值；

计算所述被测试声波换能器(3)发射的灵敏度。

8.根据权利要求7所述的灵敏度测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：

与所述被测试声波换能器(3)间隔第一预设距离的反射板(4b)反射第一声波信号；

所述被测试声波换能器(3)接收第一声波信号；

改变所述被测试声波换能器(3)和所述反射板(4b)间隔为第二预设距离，并反射第二声波信号；

所述被测试声波换能器(3)接收第二声波信号。

9.根据权利要求7所述的灵敏度测量方法，其特征在于，所述预设气压环境包括标准气压环境、低气压环境和非空气环境。

10.根据权利要求7或8中任一项权利要求所述的灵敏度测量方法，其特征在于，所述第一预设距离大于所述第二预设距离。