CN109443514B - 一种声压灵敏度校准腔及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声压灵敏度校准腔及其测试方法，校准腔由标准腔和测量腔两个刚性腔体组成，标准腔为内外圆柱形小体积腔体，测量时，将发射换能器及互易换能器安装于腔体内，完成标准腔互易常数及发射换能器互易换能器转移阻抗的精确测量；测量腔内部为圆柱形、外部为三角形刚性腔体，测量过程中，发射换能器、互易换能器、被测水听器分别固定于三角形腔体三个面，且位于圆柱形内腔中心面并对称分布，测试方法为四换能器互易法。本发明的有益效果：利用双耦合腔及四换能器互易法校准，能提高低频声压灵敏度测量精度，实现耦合腔中水听器相位的测量。

Description

一种声压灵敏度校准腔及其测试方法

技术领域

本发明涉及水声测量领域，主要是一种声压灵敏度校准腔及其测试方法。

背景技术

水听器被广泛应用于水下声信号接收、水下噪声监测、水声测量等领域，声压灵敏度是水听器最重要的技术指标。低频声压灵敏度通常在开阔水域自由场条件下测量，受声场空间和频率限制，如果不进行特殊信号处理，其下限频率通常在1kHz以上。为了解决低频测量问题，后来又陆续研建了许多其他测量方法，如振动液柱法、压电补偿法、耦合腔互易法等。振动液柱法是通过振动加速度的测量来求定水听器声压灵敏度的方法，适合于常压下的低频灵敏度校准。耦合腔互易法，在充满液体的刚性腔内的线性、无源、可逆的电声换能器，其用作水听器时的接收灵敏度M和用作发射器时的发送电流响应S之比是常数，与换能器本身结构无关，在耦合腔中容易实现变温变压下的接收灵敏度测试。常规耦合腔互易法采用三换能器互易法，在刚性腔体内安装发射换能器、互易换能器和被测水听器，通过测量转移阻抗实现水听器低频灵敏度绝对测量。三换能器耦合腔互易法存在以下几方面有待完善，一、声压灵敏度测量不确定较大，如国防科技工业水声一级计量站高静压耦合腔标准装置声压灵敏度不确定U＝0.5dB，k＝2，有待进一步降低；二、为满足耦合腔内部声场均匀条件，耦合腔内部尺寸较小，只能对体积小的特定水听器进行校准，测试对象受到很大限制；三、常规耦合腔互易法无法实现相位灵敏度校准，在水听器成阵使用时，相位灵敏度是非常重要的性能指标。本发明主要建立标准腔和测量腔两个刚性腔体，利用四换能器互易法进行测量，实现了提高声压灵敏度测量精度、增加测试对象范围并实现了相位灵敏度测试的目的。

发明内容

本发明是为了提高声压灵敏度测量精度、克服了传统耦合腔互易法只能测试特定水听器的缺点，并实现相位灵敏度测量，而提供一种声压灵敏度校准腔及其测试方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种声压灵敏度校准腔，主要包括一个为标准腔和一个为测量腔，标准腔主要包括标准腔体、发射换能器标准腔盖、紧固螺栓、“O”型密封圈，发射换能器、互易换能器安装于标准腔内，在标准腔中完成互易换能器及发射换能器的发送电流响应测试；测量腔主要包括三角形腔体、三角形腔盖、挡板，发射换能器、互易换能器从标准腔拆下安装到测量腔上进行四换能器互易法测试，发射换能器、互易换能器与被测水听器一起分别安装于三个挡板上，固定在三角形腔体的三个面，利用另外一个辅助发射换能器发射声信号，在测量腔内能实现低频声压灵敏度及相位测量。

所述的标准腔体为刚性，内外均为圆柱形，腔内的最大线性尺寸不大于最高测试频率波长的十分之一，腔体厚度为腔内径的一半以上，腔体内仅安装小体积发射换能器及互易换能器，能完成换能器转移阻抗及标准腔互易常数的准确测量。

所述的三角形腔体内部为圆柱形刚性腔体，腔内的最大线性尺寸不大于最高测试频率波长的七分之一，最小厚度为腔内径的一半，外部为等边三角形，发射换能器、互易换能器、被测水听器分别固定于三角形腔体三个面，且位于圆柱形内腔中心面并对称分布，具有最均匀的声场分布。

所述的发射换能器及互易换能器采用多个薄壁短陶瓷圆管并联作为敏感元件，具有体积小、声发射性能及互易性良好的特点。

这种声压灵敏度校准腔的测试方法，建立两个刚性腔体，一个为标准腔，一个为测量腔，利用四换能器互易法校准水听器低频声压及相位灵敏度；首先将发射换能器、互易换能器安装于标准腔内，完成标准腔互易常数J及转移阻抗测量，然后将上述换能器拆下，与被测水听器一起分别安装于三个挡板上，固定在三角形腔体的三个面，利用另外一个辅助发射换能器发射声信号，前三者作为接收，在测量腔内能实现低频声压灵敏度及相位测量。

本发明的有益效果为：

a)采用标准腔及测量腔双耦合腔及四换能器互易法校准，提高了声压灵敏度校准精度。

b)标准腔体积小，严格满足耦合腔声场条件，内部仅安装小体积发射换能器及互易换能器，与被测水听器无关，腔体体积可以精确测试，从而可以准确得到标准腔互易常数。

c)测量腔内部为圆柱形，有利于声场均匀，外部为三角形，便于发射换能器、互易换能器及被测水听器安装，三者位于圆柱中心面且对称分布，该平面具有最均匀的声场分布，减小了由于声场不均匀引起的测量误差。

d)通过提取标准腔内发射换能器复数开路电压、互易换能器激励电流复数信号，测量腔中发射换能器复数开路电压、互易换能器复数开路电压、被测水听器复数开路电压，可以实现水听器相位灵敏度校准。

e)被测水听器仅安装于测量腔，腔体尺寸较大，对标准腔互易常数测量不造成影响，扩大了被测对象范围，克服了常规耦合腔仅能测试特定结构水听器的弊端。

f)发射换能器和互易换能器采用多个薄壁短陶瓷圆管并联作为敏感元件，具有体积小、声发射性能及互易性优异的优点。

g)辅助发射换能器安装于测量腔内，具有较大的安装空间，可以采用尺寸较大的发射声源，有利于提高测量腔声内信号强度，提高测量信噪比。

附图说明

图1标准腔及换能器安装示意图

图2测量腔结构示意图

图3四换能器测量腔内布置示意图

附图标记说明：1、标准腔体；2、标准腔盖；3、紧固螺栓；4、“O”形密封圈；5：发射换能器；6：互易换能器；7：三角形腔体；8：三角形腔盖；9：挡板；10：被测水听器；11：辅助发射换能器；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明采用的技术方案：一种声压灵敏度校准腔及其测试方法，腔体由标准腔和测量腔两部分组成，测试方法为四换能器互易法，即首先在标准腔中利用发射换能器和互易换能器进行转移阻抗及耦合腔互易常数J测量，然后将发射换能器、互易换能器、被测水听器安装在测量腔中，利用另外一个辅助发射换能器发射信号，前三者作为接收，从而实现声压灵敏度及相位灵敏度校准。

标准腔必须足够小以满足集中参数模式，且其体积可以精确测得。为保证腔体声刚性条件，其内壁及换能器都是刚性的，腔内的最大线性尺寸要比腔内介质声波波长小得多，通常要求腔内尺寸为波长的十分之一，腔体的边界为刚性壁，即边界具有很高的声阻抗，因此通常设计腔壁的厚度约等于腔内径一半，材料一般采用不锈钢材料加工。标准腔由腔体、腔盖、紧固螺栓、“O”形密封圈等组成。测试时，将发射换能器及互易换能器安装在腔体内，发射换能器和互易换能器均采用薄壁短陶瓷圆管作为敏感元件，具有良好的声发射性能及互易性，同时体积小，使得标准腔内部尺寸较小，有利于提高测试频率上限。

测量腔同样为刚性腔体，采用不锈钢等金属材料加工，其内部为圆柱形，外部为三角形，腔体内部最大尺寸不大于最高测试频率波长的七分之一，腔体最小厚度为腔体内径的1/2。测量腔由三角形腔体、三角形腔盖、挡板等组成。测量时，将发射换能器、互易换能器、被测水听器固定在挡板上，再将挡板安装于三角腔体的三个面，高度为圆柱形内腔高度的一半，辅助发射换能器安装于三角形腔盖上。

四换能器互易法原理。首先将发射换能器及互易换能器安装于标准腔内，利用酒精等黏附力小的液体对标准腔体积进行准确测试，根据公式

计算出标准腔互易常数，式中J₁为标准腔互易常数，ω为角频率，V₁为标准腔体积，ρ₁为腔内媒质的密度，c₁为媒质的声速。在标准腔中，对互易换能器激励，测得激励电流记为I_H1，测得发射换能器的开路电压记为U_HF1。将发射换能器和互易换能器从标准腔拆下，固定在挡板上，安装于测量腔三角形腔体的两个面，将被测水听器固定在挡板上，安装于三角形腔体另一个面，将另外一个辅助发射换能器安装于三角形腔盖上，作为发射声源。对辅助发射换能器施加激励信号，测量发射换能器开路电压，记为U_F2，测量互易换能器开路电压，记为U_H2，测量被测水听器开路电压，记为U_J2，根据以下公式可得被测水听器声压灵敏度：

对于水听器相位灵敏度测量，需要计算测量引入的相位差。用φ_a表示从耦合腔内声压到换能器开路电压和激励电流的相位差，用φ_b表示从换能器所得信号经前放或电流取样器、电子开关和滤波器所得信号的相位差，用φ_c表示前述所得信号经数据采集设备所得信号的相位差。

对于φ_a，由于换能器开路电压和激励电流可以改写为互易参数的函数，改写之后其相位差可以相互抵消，因而不影响水听器复数灵敏度的计算。水听器复数灵敏度可以写为：

A和B分别为实部和虚部，则水听器相位灵敏度为：

φ_J＝arctan(B/A)

如图1所示，一种声压灵敏度校准腔及其测试方法，腔体由标准腔和测量腔两部分组成。标准腔主要包括标准腔体1、标准腔盖2、紧固螺栓3、“O”形密封圈4等。发射换能器5安装于标准腔盖上，互易换能器6安装于标准腔体1内。测量时，首先在标准腔内充满乙醇等黏附力小的媒介，精确测量腔体体积V₁，并根据公式

计算出标准腔互易常数J₁。再次往标准腔中注入测量媒质，通常为蒸馏水，在互易换能器6电端施加激励信号，测得复数激励电流I_F1，测得发射换能器复数开路电压U_HF1。

图2给出一种声压灵敏度校准腔及其测试方法中测量腔结构示意图。测量腔由三角形腔体7、三角形腔盖8、挡板9等部分组成。三角形腔体7内部为圆柱形腔体，外部为等边三角形，三个面上有换能器安装孔，辅助发射换能器11安装在三角形腔盖8上，挡板9用于固定换能器，方便换能器安装及拆卸。

图3一种声压灵敏度校准腔及其测试方法中四换能器布置示意图。发射换能器5和互易换能器6在标准腔中测试完成后，将其拆下后安装于挡板9上，按图3方式将发射换能器5、互易换能器6、被测水听器10固定于三角形腔体7的三个面，辅助发射换能器11安装于三角形腔盖8，在测量腔内充满测试媒质，三角形腔盖8与三角形腔体7密封固定。测试时，在辅助发射换能器11电端施加一定的激励信号，测试发射换能器5复数开路电压U_F2，测试互易换能器6复数开路电压U_H2，测试被测水听器10复数开路电压U_J2，根据公式可得到水听器复数灵敏度：

进一步可得到声压幅度灵敏度

相位灵敏度为：

φ_J＝arctan(B/A)

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种声压灵敏度校准腔，其特征在于：包括一个标准腔和一个测量腔，标准腔主要包括标准腔体(1)、发射换能器标准腔盖(2)、紧固螺栓(3)、“O”型密封圈(4)，发射换能器(5)、互易换能器(6)安装于标准腔内，在标准腔中完成互易换能器及发射换能器的发送电流响应测试；测量腔主要包括三角形腔体(7)、三角形腔盖(8)、挡板(9)，发射换能器(5)、互易换能器(6)从标准腔拆下安装到测量腔上进行四换能器互易法测试，发射换能器(5)、互易换能器(6)与被测水听器(10)一起分别安装于三个挡板(9)上，固定在三角形腔体(7)的三个面，利用另外一个辅助发射换能器(11)发射声信号，在测量腔内能实现低频声压灵敏度及相位灵敏度测量。

2.根据权利要求1所述的声压灵敏度校准腔，其特征在于：所述的标准腔体(1)为刚性，内外均为圆柱形，腔内的最大线性尺寸不大于最高测试频率波长的十分之一，腔体厚度为腔内径的一半以上，腔体内仅安装小体积发射换能器(5)及互易换能器(6)，能完成换能器转移阻抗及标准腔互易常数的准确测量。

3.根据权利要求1所述的声压灵敏度校准腔，其特征在于：所述的三角形腔体(7)内部为圆柱形刚性腔体，腔内的最大线性尺寸不大于最高测试频率波长的七分之一，最小厚度为腔内径的一半，外部为等边三角形，发射换能器(5)、互易换能器(6)、被测水听器(10)分别固定于三角形腔体(7)三个面，且位于圆柱形内腔中心面并对称分布，具有最均匀的声场分布。

4.根据权利要求1所述的声压灵敏度校准腔，其特征在于：所述的发射换能器(5)及互易换能器(6)采用多个薄壁短陶瓷圆管并联作为敏感元件。

5.一种声压灵敏度校准腔的测试方法，其特征在于：建立两个刚性腔体，一个为标准腔，一个为测量腔，利用四换能器互易法校准水听器低频声压及相位灵敏度；首先将发射换能器(5)、互易换能器(6)安装于标准腔内，完成标准腔互易常数J及转移阻抗测量，然后将上述换能器拆下，与被测水听器(10)一起分别安装于三个挡板(9)上，固定在三角形腔体(7)的三个面，利用另外一个辅助发射换能器(11)发射声信号，在测量腔内能实现低频声压灵敏度及相位灵敏度测量。

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