CN109302667A - 一种水声发射换能器宽带发送响应的快速测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种水声发射换能器宽带发送响应的快速测量方法及装置，属于水声换能器测量领域。本发明先把待测水声发射换能器放入混响水池中，由信号发生器产生宽带连续白噪声信号，经由功率放大器放大激励水声发射换能器发射声信号，在混响水池的混响控制区利用已知灵敏度的标准水听器，采用标准水听器空间扫描移动的方法，通过标准水听器测量混响声场空间平均声压，进而计算水声发射换能器的发送响应。采用本发明方法可以实现水声发射换能器的宽带测量，具有测量结果准确、测量步骤简单、效率高的优点，并且在相同的混响水池中，采用本发明方法测量的下限频率低于脉冲声技术的下限频率。

Description

一种水声发射换能器宽带发送响应的快速测量方法及装置

技术领域

本发明属于水声换能器测量领域，具体涉及一种水声发射换能器宽带发送响应的快速测量方法及装置。

背景技术

水声发射换能器的发送响应是水声计量测试中的重要参数之一。发送响应按照参考电学量的不同分为发送电压响应和发送电流响应。一般采用发送电压响应来表示水声发射换能器的发射性能，其定义为：在指定方向上距离发射换能器等效声中心参考距离上声压与加到发射换能器输入端电压之比。发送电压响应一般在自由场环境下测量，而对于大多数的水声发射换能器生产单位，建造一个合适的消声水池费用较大，而建造一个混响水池是可行的。

混响水池作为实验室中常见的测量水池之一，常被用于声学测量。利用混响水池进行水声发射换能器的发送响应测量，对于中高频段采用脉冲法进行校准，可以在时域上将直达声与混响声分开，但由于波长和频率的关系，所需的水池尺寸会随着频率的降低而越来越大，这就导致混响水池的测量存在低频测量下限。莫喜平等的专利CN2008101161575提出了混响水池中低频换能器测量的空间域处理方法，该方法通过提取所需的直达声信号，应用于发射换能器的发送电压响应测量和水听器的比较法校准。到目前为止在混响水池中的水声发射换能器发送响应测量方法都是利用发射声中的直达声，而混响水池中声源发射的声波经过边界的反射和散射形成了距离声源一定距离之外的混响控制区。混响控制区内混响声起主要作用，其空间平均声能密度恒定。空气声学中已采用此原理进行了扬声器的辐射声功率测量、传声器校准和吸声材料吸声系数的测量等。在水声领域，由于边界干涉的影响，声场声压分布不均匀，特别是在低频段，由于声场中模态数目较少，声能密度起伏较大。为了克服声场声能密度起伏较大的问题，哈尔滨工程大学李琪研究团队利用空间平均技术在混响控制区测量了混响场的空间平均声压级，有效的克服了边界对声场的干涉影响，实现了混响水池中Schroeder截止频率以上频率范围标准声源和水下复杂声源的辐射声功率测量。

由于水声换能器声源强度与混响水池混响控制区空间平均声压级存在着确定的线性对应关系，结合水声换能器发送响应的定义，构建水声换能器输入端电压与水声换能器在混响水池混响控制区空间平均声压级的对应关系，运用空间平均测量方法，并采用宽带信号实现水声换能器宽带发送响应的快速测量。该方法在目前的公开资料中没有相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水声发射换能器宽带发送响应的快速测量方法及装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种水声发射换能器宽带发送响应的快速测量方法，包括以下步骤：

(1)根据待测水声发射换能器的工作频率范围选择用于测试的混响水池，要求混响水池的f_s低于水声发射换能器工作频率范围的下限频率f_l；

(2)将待测水声发射换能器置于混响水池中，待测水声发射换能器放在混响水池长度方向上的一个三分点位置处，且保证待测水声发射换能器表面与混响水池池壁或水面的距离不小于0.1米，待测水声发射换能器保持静止状态；

(3)将标准水听器置于混响水池的扫描移动区域中，标准水听器表面距离混响水池池壁或水面的距离不小于0.1米，扫描移动区域边界与待测换能器之间的最小距离不小于临界距离的4倍；

(4)在测试过程中，信号发生器产生宽带连续白噪声信号，信号宽度覆盖待测水声发射换能器的工作频率，经功率放大器激励待测水声发射换能器发射声信号，调整功率放大器的增益，使得标准水听器在扫描移动区域中测量声压信号，要求此声压信号高于背景噪声15dB以上；标准水听器在扫描移动区域中进行扫描移动，扫描移动方式为：在一次测量过程中标准水听器移动速度不超过0.1m/s，按照“S”形轨迹移动，移动的路径应不小于测量下限频率波长的2倍，且尽量遍及整个扫描移动区域；

(5)在一次测量过程中，待测水声发射换能器输出连续信号并稳定工作一段时间，混响水池内形成稳态声场后，运用边采集边扫描移动的方式，数据采集器同步测量混响声场声压p和待测水声发射换能器输入电压E；其中数据采集器连续采集，采样率为测量最高频率的2.56倍，分析频率分辨率为2Hz，因此每采集时长为0.5s的数据进行一次功率谱分析，获取频谱数据的幅值作开方运算，每次采集测量时长不小于60s，因此测量的点数N不少于120，每次测量完成后停止扫描移动；

(6)在一次测量数据中，对每一组数据再根据下式计算标准水听器空间平均声压<p>；

式中，p_i为变量p的第i组测量值，N为总测量次数；

(7)根据下式计算待测水声发射换能器的发送电压响应S_V为：

式中，M为标准水听器的灵敏度，是频率的函数；J为混响水池中声场互易常数，取决于混响水池的体积和壁面的材料特性，是频率的函数，计算公式为：

式中，ρ为水的密度，f为频率；

(8)重复测量6次，对测量的水声发射换能器发送响应进行平均，并进一步按下式计算待测水声发射换能器发送响应灵敏度级S_V：

S_V＝20lgS_V+120

式中，取发送响应基准值S_r＝1V/μPa。

所述步骤(1)中的水声发射换能器的工作下限频率f_l是已知的，而f_s由混响水池的体积V和混响时间T₆₀计算得到，f_s的确定如下：

若只考虑斜向波，体积为V的混响水池频率低于f的简正波平均总数为：

式中，c₀为声波在水中的传播速度；

单位带宽内的简正波数为：

简正波共振峰的平均半功率带宽为：

式中，为水箱的平均阻尼常数，简正波共振峰的平均半功率带宽取决于水箱的吸收系数，而：

式中，T₆₀为混响时间；

混响水池满足混响场条件的截止频率决定于单位带宽内简正波的数目及简正波共振峰的半功率带宽，根据Schroeder截止频率假定，满足混响场条件时，平均共振峰的半功率带宽内包含有三个简正波，因此，混响场条件表示为：

由此求得：

通过上式确定混响水池的截止频率，并确定测量频率范围；

混响时间的测量采用中断声源法，混响时间测量中会出现重复偏差和空间偏差，为减少重复偏差，每个位置作10次测量并进行平均；同时为减少空间偏差，对声源及水听器分别进行多点空间平均，所有测点距离水池壁面及底面至少0.2米，声源及水听器至少取10点进行空间平均。

所述步骤(3)中临界距离r_c是与水池特性有关的量，与声源特性无关，计算公式为：

式中，R₀为房间常数，它与混响水池的体积V、内壁表面积之和S以及混响时间T₆₀有关：

一种水声发射换能器宽带发送响应的快速测量装置，本发明装置由信号发生器、功率放大器、待测水声换能器、数据采集器、标准水听器组成，信号发生器输出连接功率放大器，功率放大器输出送入待测水声换能器，功率放大器的监测口和标准水听器的输出端都接入数据采集器。

本发明的有益效果在于：

1、本发明方法适用于混响水池中Schroeder截止频率f_s以上的频率范围，相比于消声水池自由场测量方法，本发明方法有效地拓展了测量的下限频率，实现了水声发射换能器发送响应的低频段测量。

2、本发明方法采用宽带信号测量，在一次测量中使用信号宽度覆盖待测水声发射换能器工作频段，实现了快速校准，提高了测量效率。

3、测量结果实现窄带谱精确测量，具有良好的可重复性。

4、采用本发明方法操作步骤简单，引入误差因素少，适用于任意形状的混响水池。

5、本发明方法对采样率要求低。

附图说明

图1为本发明实验操作流程图；

图2为混响水箱中标准水听器扫描移动区域示意图；

图3为混响水池中装置连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

以哈尔滨工程大学水声技术重点实验室的混响水箱为例，参照附图1对本发明做详细说明。

混响水箱为矩形水箱，尺寸为：长9m，宽3m，高2.0m。箱体为钢质结构，水深1.7m，测量的混响时间T₆₀约为200ms。水的密度ρ为1000kg/m³，水温20℃，声速c₀为1450m/s。

信号发生器采用Agilent 33250A型信号发生器；功率放大器采用B&K 2713型功率放大器；数据采集器采用B&K PULSE3560E动态信号分析仪。

(1)根据待测水声发射换能器的工作频率范围选择可以用于测试的混响水箱，这需要满足混响水箱的f_s低于水声发射换能器工作频率范围的下限频率f_l。

混响水箱的截止频率f_s为1960Hz，取测量频率范围为2kHz-100kHz。待测水声发射换能器采用圆管换能器，待测频率范围为2kHz-20kHz；标准水听器采用RHS(A)-20型水听器；

(2)将待测水声发射换能器置于混响水箱中，待测水声发射换能器表面与混响水箱池壁或水面的距离不小于0.1米，待测水声发射换能器保持静止状态。

本发明采取以下方法进行测量：将待测水声发射换能器和标准水听器放置于混响水箱中相应区域，如图2所示。待测水声发射换能器在长度方向的一个三分点处，即距离池壁3米，在此选择放在水箱宽度和深度方向的中心位置处。

(3)将标准水听器置于混响水箱的扫描移动区域中，标准水听器表面距离混响水箱池壁或水面的距离不小于0.1米，扫描移动区域边界与待测换能器之间的最小距离不小于临界距离的4倍，其中临界距离约为0.43m，测量过程中选择间距为2米。

(4)在测试过程中，信号发生器产生宽带连续白噪声信号，标准水听器在扫描移动区域中进行扫描移动。扫描移动方式为：在一次测量过程中标准水听器移动速度不超过0.1m/s，移动的路径应不小于测量下限频率波长的2倍，且尽量遍及整个扫描移动区域。

根据图3连接测量系统。利用信号源产生带宽为1.6kHz-25.6kHz的白噪声信号，信号经功率放大器放大后输入到待测水声发射换能器。功率放大器的监测口和标准水听器的输出端分别接入数据采集器。待测水声发射换能器上所加的输入电压E可由功率放大器的监测口测得，使用的B&K 2713功率放大器，其监测输入电压E’为待测水声发射换能器输入电压E的1/10。使用数据采集器测量并记录功率放大器的监测口电压。设置数据采集器测量分析的频率范围为2kHz-20kHz。

(5)在一次测量过程中，采取边采集边扫描移动的方式。数据采集器同步测量待测水声发射换能器监测输入电压E’和标准水听器开路输出电压e，其中根据标准水听器开路电压灵敏度可以计算声压p。数据采集器每0.5s采集一组数据并进行功率谱分析，每次测量时长不小于60s，因此测量的点数N不少于120，每次测量完成后停止扫描移动。

(6)在一次测量数据中，对每一组数据的功率谱分析，分别计算作开方运算再根据下式计算标准水听器空间平均声压<p>。

(7)根据下式计算待测水声发射换能器的发送电压响应S_V。

(8)重复测量6次，对测量的水声发射换能器发送响应进行平均，并进一步按下式计算待测水声发射换能器发送响应灵敏度级S_V：

S_V＝20lgS_V+120。

Claims (4)

1.一种水声发射换能器宽带发送响应的快速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据待测水声发射换能器的工作频率范围选择用于测试的混响水池，要求混响水池的f_s低于水声发射换能器工作频率范围的下限频率f_l；

(2)将待测水声发射换能器置于混响水池中，待测水声发射换能器放在混响水池长度方向上的一个三分点位置处，且保证待测水声发射换能器表面与混响水池池壁或水面的距离不小于0.1米，待测水声发射换能器保持静止状态；

(3)将标准水听器置于混响水池的扫描移动区域中，标准水听器表面距离混响水池池壁或水面的距离不小于0.1米，扫描移动区域边界与待测换能器之间的最小距离不小于临界距离的4倍；

(4)在测试过程中，信号发生器产生宽带连续白噪声信号，信号宽度覆盖待测水声发射换能器的工作频率，经功率放大器激励待测水声发射换能器发射声信号，调整功率放大器的增益，使得标准水听器在扫描移动区域中测量声压信号，要求此声压信号高于背景噪声15dB以上；标准水听器在扫描移动区域中进行扫描移动，扫描移动方式为：在一次测量过程中标准水听器移动速度不超过0.1m/s，按照“S”形轨迹移动，移动的路径应不小于测量下限频率波长的2倍，且尽量遍及整个扫描移动区域；

(5)在一次测量过程中，待测水声发射换能器输出连续信号并稳定工作一段时间，混响水池内形成稳态声场后，运用边采集边扫描移动的方式，数据采集器同步测量混响声场声压p和待测水声发射换能器输入电压E；其中数据采集器连续采集，采样率为测量最高频率的2.56倍，分析频率分辨率为2Hz，因此每采集时长为0.5s的数据进行一次功率谱分析，获取频谱数据的幅值作开方运算，每次采集测量时长不小于60s，因此测量的点数N不少于120，每次测量完成后停止扫描移动；

(6)在一次测量数据中，对每一组数据再根据下式计算标准水听器空间平均声压<p>；

式中，p_i为变量p的第i组测量值，N为总测量次数；

(7)根据下式计算待测水声发射换能器的发送电压响应S_V为：

式中，M为标准水听器的灵敏度，是频率的函数；J为混响水池中声场互易常数，取决于混响水池的体积和壁面的材料特性，是频率的函数，计算公式为：

式中，ρ为水的密度，f为频率；

(8)重复测量6次，对测量的水声发射换能器发送响应进行平均，并进一步按下式计算待测水声发射换能器发送响应灵敏度级S_V：

S_V＝20lgS_V+120

式中，取发送响应基准值S_r＝1V/μPa。

2.根据权利要求1所述的一种水声发射换能器宽带发送响应的快速测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中的水声发射换能器的工作下限频率f_l是已知的，而f_s由混响水池的体积V和混响时间T₆₀计算得到，f_s的确定如下：

若只考虑斜向波，体积为V的混响水池频率低于f的简正波平均总数为：

式中，c₀为声波在水中的传播速度；

单位带宽内的简正波数为：

简正波共振峰的平均半功率带宽为：

式中，为水箱的平均阻尼常数，简正波共振峰的平均半功率带宽取决于水箱的吸收系数，而：

式中，T₆₀为混响时间；

混响水池满足混响场条件的截止频率决定于单位带宽内简正波的数目及简正波共振峰的半功率带宽，根据Schroeder截止频率假定，满足混响场条件时，平均共振峰的半功率带宽内包含有三个简正波，因此，混响场条件表示为：

由此求得：

通过上式确定混响水池的截止频率，并确定测量频率范围；

混响时间的测量采用中断声源法，混响时间测量中会出现重复偏差和空间偏差，为减少重复偏差，每个位置作10次测量并进行平均；同时为减少空间偏差，对声源及水听器分别进行多点空间平均，所有测点距离水池壁面及底面至少0.2米，声源及水听器至少取10点进行空间平均。

3.根据权利要求1所述的一种水声发射换能器宽带发送响应的快速测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中临界距离r_c是与水池特性有关的量，与声源特性无关，计算公式为：

式中，R₀为房间常数，它与混响水池的体积V、内壁表面积之和S以及混响时间T₆₀有关：

4.一种水声发射换能器宽带发送响应的快速测量装置，其特征在于：本发明装置由信号发生器、功率放大器、待测水声换能器、数据采集器、标准水听器组成，信号发生器输出连接功率放大器，功率放大器输出送入待测水声换能器，功率放大器的监测口和标准水听器的输出端都接入数据采集器。