CN109324320A - 一种利用混响水池进行水听器批量校准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下用品研究领域，具体涉及一种利用混响水池进行水听器批量校准的方法，包括以下步骤：选择合适尺寸的混响水池，根据混响水池物理特性计算混响水池的截止频率f_s；利用中断声源法测量混响水池的混响时间T₆₀；选定水听器布放区域；将水听器布放在选定范围内；将标准声源置于混响水池中；选择信号；对待测水听器和标准水听器进行测试；根据测量的开路输出电压作单位带宽内的功率谱分析。本发明方法可以同时对多个水听器进行灵敏度测量，操作步骤简单，引入误差因素少，测量效率高，可以实现水听器灵敏度的批量校准。

Description

一种利用混响水池进行水听器批量校准的方法

技术领域

本发明属于水下用品研究领域，具体涉及一种利用混响水池进行水听器批量校准的方法。

背景技术

水听器是声纳系统装备最基本的信号拾取单元，其灵敏度直接关系到声纳系统的探测能力。水听器在使用前需要校准以获取灵敏度等声学参数，准确、高效的校准方法成为水听器声学计量的关键环节。目前水听器灵敏度的校准一般采用的是自由场校准方法。水声换能器自由场校准方法GB 3223-94规定了水声换能器在自由场球面波条件下的校准方法。实验室条件下的水听器自由场校准一般在消声水池中进行，在测量方法和步骤上已经非常成熟。但消声水池因吸声尖劈限制都存在测量的下限频率，无法满足水听器更低频段的校准要求。近年来，已开始采用混响水池进行水声换能器校准。目前，在混响水池中进行水声换能器校准一般采用脉冲法，该方法测量最低频率受水池的尺度限制且很难实现多水听器的批量测量。莫喜平CN200810116157.5提出了混响水池中低频换能器测量的空间域处理方法，该方法提取所需的直达声信号，克服了传统测量技术受到同频发射声干扰的影响，应用于发射换能器的发送电压响应测量。在封闭空间中，声源辐射的声波经过边界的不断反射形成混响声场，在距离声源一定距离外存在一个空间尺度较大的混响控制区，在混响控制区内平均声能密度是恒定的。空气声学中就是利用此原理来进行传声器校准及扬声器辐射声功率的测量。在水声领域，哈尔滨工程大学李琪研究团队利用空间移动平均技术测量混响声场的空间平均声压，有效地克服了边界对声场的干涉影响，采用此方法在混响水池中测量了标准声源和水下复杂声源的辐射声功率，在此基础上提出了一种在混响水池中利用混响法进行水听器互易校准的方法。在混响水池的截止频率以上满足混响声场条件，通过测量混响声场的稳态平均声能密度就可得到声源的强度，且混响声场满足线性互易条件，因而可以进行水声换能器的校准，实现在混响水池截止频率以上校准不确定度小于1dB。由于混响水池壁面为混凝土结构，容易在声场中形成混响场，混响水池的截止频率比较低，与消声水池相比，相同体积的两种水池，混响水池校准下限频率更低。利用混响水池进行水听器校准具有测量成本低、测量条件容易满足、测量精度高、测量重复性好、测量频率低的优点。混响水池具有混响控制区域尺度范围较大且区域内平均声能密度恒定的特点，相比于自由场校准中对水听器单个逐一校准，本发明可以同时将多个水听器放置于混响控制区内完成水听器的批量校准，有效地节省了校准时间，提高了校准效率。而截至目前尚未出现有关在混响水池中利用混响声的非相干处理方法结合水听器的比较法校准进行水听器批量校准的报道。

综上所述，现有技术存在水听器无法测量较低频率等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用混响水池进行水听器批量校准的方法。

一种利用混响水池进行水听器批量校准的方法，包括以下步骤：

(1)选择合适尺寸的混响水池，根据混响水池物理特性计算混响水池的截止频率f_s；

(2)利用中断声源法测量混响水池的混响时间T₆₀；

(3)选定水听器布放区域；

(4)将水听器布放在选定范围内；

(5)将标准声源置于混响水池中；

(6)选择信号；

(7)对待测水听器和标准水听器进行测试；

(8)根据测量的开路输出电压作单位带宽内的功率谱分析。

所述选择合适尺寸的混响水池，根据混响水池物理特性计算混响水池的截止频率f_s，包括：

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：

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：

其中，为水箱的平均阻尼常数，由此可见，简正波共振峰的平均半功率带宽取决于水箱的吸收系数；

其中，T₆₀为混响时间；

混响水池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：

其中，c₀为声波在水中的传播速度，T₆₀为混响时间，混响水池的体积为V。

所述利用中断声源法测量混响水池的混响时间T₆₀，包括：

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不小于1.5米，声源及水听器取10点进行空间平均。

所述选定水听器布放区域，包括：

水听器布放区域按照如下规则选定：对于矩形水池，水听器布放区域选择在水池长度方向上距离池壁一端的1/3处；对于不规则形状水池，选择最长维度上距离池壁一端的1/3处。

所述将水听器布放在选定范围内，包括：

将多个待测量水听器Xi(X1、X2、X3......)和1个已知灵敏度的标准水听器放置在水听器布放区域内，相邻水听器表面之间的距离应不小于水听器最大尺度的4倍；水听器的布放位置不得超出水听器布放区域范围，并且水听器表面不得贴近池壁、池底和水面。

所述将标准声源置于混响水池中，包括：

标准声源移动范围满足：在标准声源的布放和移动过程中，标准声源表面距离水听器布放区域边界的最小距离不小于临界距离的4倍，其中临界距离r_c是与水池特性有关的量，与声源特性无关，计算公式为：

其中，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有如下关系：

在测量过程中，标准声源表面不得贴近池壁、池底和水面。

所述选择信号，包括：

应当选择使用单频连续正弦信号或连续白噪声信号；由信号源产生信号，通过功率放大器激励标准声源T，调节功率放大器增益以满足测量频带内声场声压信号高于本底噪声15dB以上。

所述对待测水听器和标准水听器进行测试，包括：

待测水听器和标准水听器保持不动，标准声源在选定的声源移动区域内采用S型路径匀速、缓慢的移动，移动速度小于0.1m/s；声源产生声信号，在达到稳态声场之后，边移动边采集标准水听器和各个待测水听器的开路输出电压时域信号，选择采样频率为水听器校准频率范围内最高频率的2.56倍，测量时长不小于60s。

所述根据测量的开路输出电压作单位带宽内的功率谱分析，包括：

提取各个频点数据作开方运算，得到每个待测水听器的空间平均开路输出电压值<e_x>和标准水听器的空间平均开路输出电压值<e_s>，按下式计算每个待测水听器灵敏度M_x：

其中，M_s为标准水听器的灵敏度。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明方法可以同时对多个水听器进行灵敏度测量，操作步骤简单，引入误差因素少，测量效率高，可以实现水听器灵敏度的批量校准。

(2)本发明方法适用于在混响水池中Schroeder截止频率f_s以上的频率范围，拓展了混响水池的测量下限频率，实现低频段的快速校准。

(3)本发明方法对仪器的采样频率要求较低。

(4)本发明方法适用于任意形状的混响水池。

附图说明

图1是本发明方法主要实验操作流程图；

图2是混响水池混响时间测试系统；

图3是混响水池中水听器校准声源移动区域及水听器布放示意图；

图4是混响水池水听器灵敏度校准测量装置分布俯视图；

图5是本发明方法进行的水听器校准结果与出厂比较法校准结果比较；

图6是采用发明方法测量水听器灵敏度级与产品出厂标定值之差；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种利用混响水池进行水听器批量校准的方法

本发明涉及利用混响水池进行水听器批量校准的方法。本发明在原理上区别于自由场校准方法，是利用混响水池中边界反射的混响声，采用声源的空间移动扫描和信号的非相干处理，结合比较法校准原理实现的水听器校准方法。由于在混响水池中混响控制区空间尺度较大，可以同时放置多个水听器并且混响控制区内混响声平均声压是恒定的，因此实现了水听器的快速校准。本发明包括以下步骤：根据待测水听器频率范围选择合适的混响水池；选定水听器布放区域；布放水听器于选定的水听器布放区域；将标准声源置于混响水池中，选定标准声源移动区域及放置范围；在混响水池中进行水听器灵敏度的批量校准；各测量水听器和标准水听器保持不动，采用连续信号激励标准声源，并在选定的声源移动区域内采用S型路径匀速、缓慢的移动标准声源，移动速度小于0.1m/s；边移动边采集标准水听器和各个待测水听器的开路输出电压，测量时长不小于60s；根据测量的标准水听器和每个待测水听器空间平均声压对应空间平均开路输出电压，计算待测水听器灵敏度M_x。本发明方法对水听器的灵敏度校准具有准确、简单、高效的特点，可同时对多个水听器进行校准，并适用于任意形状的混响水池。

本发明涉及水听器灵敏度的快速校准方法，尤其涉及一种利用混响水池进行水听器的批量校准方法。

水听器是声纳系统装备最基本的信号拾取单元，其灵敏度直接关系到声纳系统的探测能力。水听器在使用前需要校准以获取灵敏度等声学参数，准确、高效的校准方法成为水听器声学计量的关键环节。目前水听器灵敏度的校准一般采用的是自由场校准方法。水声换能器自由场校准方法(GB 3223-94)规定了水声换能器在自由场球面波条件下的校准方法。实验室条件下的水听器自由场校准一般在消声水池中进行，在测量方法和步骤上已经非常成熟。但消声水池因吸声尖劈限制都存在测量的下限频率，无法满足水听器更低频段的校准要求。近年来，已开始采用混响水池进行水声换能器校准。目前，在混响水池中进行水声换能器(包括发射换能器和水听器)校准一般采用脉冲法，该方法测量最低频率受水池的尺度限制且很难实现多水听器的批量测量。莫喜平(CN200810116157.5)提出了混响水池中低频换能器测量的空间域处理方法，该方法提取所需的直达声信号，克服了传统测量技术受到同频发射声干扰的影响，应用于发射换能器的发送电压响应测量。在封闭空间中，声源辐射的声波经过边界的不断反射形成混响声场，在距离声源一定距离外存在一个空间尺度较大的混响控制区，在混响控制区内平均声能密度是恒定的。空气声学中就是利用此原理来进行传声器校准及扬声器辐射声功率的测量。在水声领域，哈尔滨工程大学李琪研究团队利用空间移动平均技术测量混响声场的空间平均声压，有效地克服了边界对声场的干涉影响，采用此方法在混响水池中测量了标准声源和水下复杂声源的辐射声功率，在此基础上提出了一种在混响水池中利用混响法进行水听器互易校准的方法。在混响水池的截止频率以上满足混响声场条件，通过测量混响声场的稳态平均声能密度就可得到声源的强度，且混响声场满足线性互易条件，因而可以进行水声换能器的校准，实现在混响水池截止频率以上校准不确定度小于1dB。由于混响水池壁面为混凝土结构，容易在声场中形成混响场，混响水池的截止频率比较低，与消声水池相比，相同体积的两种水池，混响水池校准下限频率更低。利用混响水池进行水听器校准具有测量成本低、测量条件容易满足、测量精度高、测量重复性好、测量频率低的优点。混响水池具有混响控制区域尺度范围较大且区域内平均声能密度恒定的特点，相比于自由场校准中对水听器单个逐一校准，本发明可以同时将多个水听器放置于混响控制区内完成水听器的批量校准，有效地节省了校准时间，提高了校准效率。而截至目前尚未出现有关在混响水池中利用混响声的非相干处理方法结合水听器的比较法校准进行水听器批量校准的报道。

本发明的目的是提供一种利用混响水池进行水听器批量校准的方法。

为实现上述发明目的，本发明所述的利用混响水池进行水听器批量校准的方法，其操作流程图如附图1所示，主要通过以下几个步骤来实现：

(1)本发明方法适用于在混响水池Schroeder截止频率f_s以上的频率范围。根据待测水听器的工作频率范围选择可以用于测试的混响水池，混响水池的截止频率f_s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：

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：

这里，为水箱的平均阻尼常数。由此可见，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：

混响水池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，混响场条件可表示为：

由此可求得：

通过式(6)可确定混响水池的截止频率，并确定该方法的测量频率范围。

(2)混响水池混响时间T₆₀的测量。为确定混响水池的截止频率f_s，需测量混响水池的混响时间T₆₀。混响时间的测量采用中断声源法，测量系统如附图2所示。由PULSE(3560E)动态信号分析仪中的信号源产生的白噪声信号经功率放大器(B&K2713)放大后加到发射换能器。水听器收到的信号经测量放大器(B&K2692)放大后再送入到PULSE动态信号分析仪便可得到1/3倍频程带宽内的混响时间。系统采用自动触发方式，当声源停止发射后，被测信号下降5dB时系统自动开始记录，然后根据采集的数据计算出混响时间。

混响时间测量中会出现重复偏差和空间偏差。采用中断声源法测量混响时间时，测试信号为白噪声信号，由于其具有随机性，导致在声源终止发声时，其激发的简正波模式及程度也具有随机性，不同模式的混响时间是不同的，因此便产生了混响时间测量的重复偏差。为减少重复偏差，建议每个位置作10次测量并进行平均；同时为减少空间偏差，建议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1.5米，声源及水听器至少取10点进行空间平均。

选定水听器布放区域。水听器布放区域选定范围，如附图3。水听器布放区域按照如下规则选定：对于矩形水池，水听器布放区域一般选择在水池长度方向上距离池壁一端的1/3处。对于不规则形状水池，选择最长维度上距离池壁一端的1/3处。

布放水听器。将多个待测量水听器Xi(X1、X2、X3......)和1个已知灵敏度的标准水听器放置在水听器布放区域内。一次测量过程中布放水听器数目可以视实际情况而定，但需要按照如下条件：相邻水听器表面之间的距离应不小于水听器最大尺度的4倍；水听器的布放位置不得超出水听器布放区域范围，并且水听器表面不得贴近池壁、池底和水面。

布放声源。本发明方法中声源选择无指向性的标准声源。将标准声源置于混响水池中。标准声源移动范围满足：在标准声源的布放和移动过程中，标准声源表面距离水听器布放区域边界的最小距离不小于临界距离的4倍，其中临界距离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：

还需要满足在测量过程中，标准声源表面不得贴近池壁、池底和水面。

选择信号。本发明方法中选择使用单频连续正弦信号或连续白噪声信号。由信号源产生信号，通过功率放大器激励标准声源T，调节功率放大器增益以满足测量频带内声场声压信号高于本底噪声15dB以上。

(7)待测水听器和标准水听器保持不动，标准声源在选定的声源移动区域内采用S型路径匀速、缓慢的移动，移动速度小于0.1m/s。声源产生声信号，在达到稳态声场之后，边移动边采集标准水听器和各个待测水听器的开路输出电压时域信号。选择采样频率为水听器校准频率范围内最高频率的2.56倍，测量时长不小于60s。

(8)根据测量的开路输出电压作单位带宽内的功率谱分析，提取各个频点数据作开方运算，得到每个待测水听器的空间平均开路输出电压值<e_x>和标准水听器的空间平均开路输出电压值<e_s>。按式(9)计算每个待测水听器灵敏度M_x：

式中，M_s为标准水听器的灵敏度。

本发明优点在于：1、采用本发明方法可以同时对多个水听器进行灵敏度测量，操作步骤简单，引入误差因素少，测量效率高，实现水听器灵敏度的批量校准。2、本发明方法适用于在混响水池中Schroeder截止频率f_s以上的频率范围，拓展了混响水池的测量下限频率，实现低频段的快速校准。3、本发明方法对仪器的采样频率要求较低。4、本发明方法适用于任意形状的混响水池。

图1本发明方法主要实验操作流程图

图2混响水池混响时间测试系统

图3混响水池中水听器校准声源移动区域及水听器布放示意图

图4混响水池水听器灵敏度校准测量装置分布示意图(俯视图)

图5本发明方法进行的水听器校准结果与出厂比较法校准结果比较

下面以哈尔滨工程大学水声技术实验室的混响水池为例，对本发明的测量方法作详细说明。

混响水池尺寸为：长15m，宽9m，水深6m。池壁为混凝土结构，内壁敷设瓷砖。水的密度为1000kg/m³，校准时水温为20℃，声波在水中的传播速度为1450m/s。估算的混响水池截止频率f_s＝500Hz，因此水听器灵敏度校准的最低频率为500Hz，本实例在频率500Hz-10kHz范围内进行水听器批量校准。

具体步骤如下：

(1)测量前，选定水听器布放区域。标准水听器采用B&K 8105，编号S，4个RHS(A)-20型水听器作为待测水听器，分别编号为X1、X2、X3、X4。水听器布放区域一般选择在水池长度方向上距离池壁一端的1/3处，水听器的布放位置不得超出水听器布放区域范围，并且水听器表面不得贴近池壁、池底和水面。将4个待测量水听器和1个已知灵敏度的标准水听器S布放在混响水池水听器布放区域中。相邻水听器之间的距离应大于0.1m。如图4所示。

(2)将标准声源置于混响水池中，标准声源表面距离水听器布放区域边界的最小距离不小于临界距离的4倍，临界距离约为0.83m，此处选择标准声源表面与水听器布放边界距离为4m。声源发射系统包括：信号发生器PLUSE3560E发射单元、功率放大器B&K2713及标准声源T为EDO 6829-17k无指向性声源。接收系统采用PLUSE3560E接收单元。

(3)在混响水池中进行水听器灵敏度的批量校准

a.确定水听器批量校准的频率范围为500Hz-10kHz。

b.测量准备。由信号源产生单频连续信号，通过功率放大器激励标准声源T辐射声信号，调节功率放大器增益，达到足够的信噪比15dB。

c.开始测量。各测量水听器和标准水听器保持不动，标准声源在选定的声源移动区域内采用S型路径匀速、缓慢的移动，移动速度小于0.1m/s。边移动边采集标准水听器和4个待测水听器的开路输出电压，采样频率25.6kHz，测量时长为60s。

(4)测量各个频率下的开路输出电压功率谱分析，按照1/3倍频程频点依次提取数据作开方运算。得到每个待测水听器的空间平均开路输出电压值<e_x>和标准水听器的开路输出电压空间平均值<e_s>。

(5)在每个测量频点下，用<e_i>表示第i个待测水听器开路输出电压空间平均值，用<e_s>表示标准水听器的开路输出电压空间平均值。按式(9)计算待测水听器灵敏度M_x，取其中一个待测水听器测量结果与产品出厂前的校准结果进行对比，如图5所示。采用本发明方法测得的水听器灵敏度结果与水听器出厂时给定的灵敏度对比如图6所示。

(6)实验结果表明，采用发明方法测量水听器灵敏度结果与产品出厂时采用自由场比较法测量结果基本一致，偏差在1dB以内。

Claims (9)

1.一种利用混响水池进行水听器批量校准的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选择合适尺寸的混响水池，根据混响水池物理特性计算混响水池的截止频率f_s；

(2)利用中断声源法测量混响水池的混响时间T₆₀；

(3)选定水听器布放区域；

(4)将水听器布放在选定范围内；

(5)将标准声源置于混响水池中；

(6)选择信号；

(7)对待测水听器和标准水听器进行测试；

(8)根据测量的开路输出电压作单位带宽内的功率谱分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选择合适尺寸的混响水池，根据混响水池物理特性计算混响水池的截止频率f_s，包括：

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：

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：

其中，为水箱的平均阻尼常数，由此可见，简正波共振峰的平均半功率带宽取决于水箱的吸收系数；

其中，T₆₀为混响时间；

混响水池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：

其中，c₀为声波在水中的传播速度，T₆₀为混响时间，混响水池的体积为V。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用中断声源法测量混响水池的混响时间T₆₀，包括：

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不小于1.5米，声源及水听器取10点进行空间平均。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选定水听器布放区域，包括：

水听器布放区域按照如下规则选定：对于矩形水池，水听器布放区域选择在水池长度方向上距离池壁一端的1/3处；对于不规则形状水池，选择最长维度上距离池壁一端的1/3处。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将水听器布放在选定范围内，包括：

将多个待测量水听器Xi(X1、X2、X3......)和1个已知灵敏度的标准水听器放置在水听器布放区域内，相邻水听器表面之间的距离应不小于水听器最大尺度的4倍；水听器的布放位置不得超出水听器布放区域范围，并且水听器表面不得贴近池壁、池底和水面。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将标准声源置于混响水池中，包括：

标准声源移动范围满足：在标准声源的布放和移动过程中，标准声源表面距离水听器布放区域边界的最小距离不小于临界距离的4倍，其中临界距离r_c是与水池特性有关的量，与声源特性无关，计算公式为：

其中，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有如下关系：

在测量过程中，标准声源表面不得贴近池壁、池底和水面。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选择信号，包括：

应当选择使用单频连续正弦信号或连续白噪声信号；由信号源产生信号，通过功率放大器激励标准声源T，调节功率放大器增益以满足测量频带内声场声压信号高于本底噪声15dB以上。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对待测水听器和标准水听器进行测试，包括：

待测水听器和标准水听器保持不动，标准声源在选定的声源移动区域内采用S型路径匀速、缓慢的移动，移动速度小于0.1m/s；声源产生声信号，在达到稳态声场之后，边移动边采集标准水听器和各个待测水听器的开路输出电压时域信号，选择采样频率为水听器校准频率范围内最高频率的2.56倍，测量时长不小于60s。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据测量的开路输出电压作单位带宽内的功率谱分析，包括：

提取各个频点数据作开方运算，得到每个待测水听器的空间平均开路输出电压值<e_x>和标准水听器的空间平均开路输出电压值<e_s>，按下式计算每个待测水听器灵敏度M_x：

其中，M_s为标准水听器的灵敏度。