CN109443515B - 一种小尺寸水听器灵敏度空气中测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小尺寸水听器灵敏度空气中测试系统及方法，整个测试系统由一个空气中能产生水听器灵敏度测试所需声场的腔体、减隔振系统及适合比较法测试所需仪器设备组成；整个空气声腔体利用不同形状与尺寸的腔体的组合设计来改变空气中声波的传播途径来实现对声波的控制，通过控制声波的传播途径和大小来获得校准水听器阵列灵敏度所需的声场。本发明利用空气中特定的声场设计，在空气中实现对水听器灵敏度的测量；利用比较法原理解决了水听器单元在空气中的测量所需声场与技术问题；利用特定的腔体设计技术实现在空气中对扬声器声场传播的控制，满足空气中水听器灵敏度测试所需，对现有水听器灵敏度水声测试有效补充。

Description

一种小尺寸水听器灵敏度空气中测试系统及方法
技术领域
本发明涉及水听器灵敏度空气中测量的领域，具体涉及一种小尺寸水听器灵敏度空气中测试系统及方法。
背景技术
随着水声技术的发展，水声应用频率逐渐向低频扩展。为了增加对水下目标的远程探测和预警能力，尤其是要解决对低噪声目标的有效探测。声纳阵正逐渐向低频、大孔径、高功率方向发展，为了在有限的空间内实现足够高的发射功率或足够大的接收灵敏度，在声纳阵的设计中阵元通常采用密排方式布阵。特别是现在型号声纳比如拖曳线列阵声纳与航空浮标声纳等都需要由很多单个的水听器阵元组成。在成阵前，都需要对这些水听器单元性能进行测量。这些低频水听器的工作频率一般在几十Hz到几kHz。由于水听器阵元低频性能的测试一般在振动液柱或密闭腔中进行，需要研制特定的腔体，构建特定的测试系统。而腔体的测试频率一般在1kHz以下，而1kHz以上的频率需要在自由场中进行，按照远场条件：d＝(a)2/λ(d为远场标校距离；a为阵元的最大线度；波数λ＝2πf/c，f为工作频率，c为介质的声速)来布置声场。因此，通常低频水听器全频段内性能测试需要分别在腔体与自由场中进行。因此，低频水听器的排量测试是很难在实验室中进行。相对于水声领域，在空气中波长大约只有水中五分之一(水中为1500m/s,空气中为340m/s)。而且空气中的发射声源比较容易实现低频(比如音频声源都可以轻易工作到20Hz)。因此，需要通过特定的方法实现对空气中声波传播的控制建立水听器单元灵敏度测试所需的声场，满足水听器灵敏度空气中测量需求，实现对水声领域计量标校方法的有效补充。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种小尺寸水听器灵敏度空气中测试系统及方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种小尺寸水听器灵敏度空气中测试系统，整个测试系统由一个空气中能产生水听器灵敏度测试所需声场的腔体、减隔振系统及适合比较法测试所需仪器设备组成；整个空气声腔体利用不同形状与尺寸的腔体的组合设计来改变空气中声波的传播途径来实现对声波的控制，通过控制声波的传播途径和大小来获得校准水听器阵列灵敏度所需的声场，实现现场条件下在空气中对水听器灵敏度的测试；进行比较法测量水听器灵敏度时，需要定位机构及对测试时的声场进行实时监控，保证标准传感器比较法测试时前后定位的准确和测试时声场的稳定性。
更进一步的，主要包括声校准腔体、测试腔体、被测阵元、监测加速度计、隔振系统、音频信号发生器、音频功率放大器、数据采集系统、数字示波器、触发信号以及比较法测试所需仪器设备，音频信号发生器通过连接音频功率放大器将信号传输给隔声箱的音频信号输入线，隔声箱为测试腔体并设置在声校准腔体中，隔声箱周围设置隔振系统进行隔振，隔声箱的声波传播通道内放置被测阵元，隔声箱上还连接有监测加速度计，监测加速度计和数字示波器连接，音频信号发生器产生触发信号给数据采集系统和数字示波器，被测阵元连接数据采集系统和数字示波器。
所述声波发生腔，主要包括声波传播通道、音频信号输入线、扬声器、隔声箱，隔声箱由隔声层A、隔声层B、隔声材料层A、隔声材料层B相互间隔构成，隔声箱内部安装一个扬声器和连通扬声器与外界的声波传播通道，扬声器连接音频信号输入线并根据其传输的信号产生声波。所述声波发生腔在空气中产生水听器灵敏度测试所需声场。
所述声校准腔体通过变截面的声管与不同直径声管的组合，通过对声波的扩散与汇聚的控制，实现对其声波传播路径与声波大小的控制。
所述测试腔体利用不同形状与尺寸腔体的组合设计来改变空气中声波的传播途径从而实现对声波的控制，通过控制声波的传播途径和大小来获得校准水听器阵列灵敏度所需的声场。
这种小尺寸水听器灵敏度空气中测试系统方法，主要采用比较法测试，具体的测试原理采用标准传感器比较法，包括以下步骤：在辅助扬声器F发射的声波场中测定标准水听器P的转移阻抗后取出声场；把被测水听器X放入标准水听器P所在的声场中测量。整个空气声腔体利用不同形状与尺寸的腔体的组合设计来改变空气中声波的传播途径来实现对声波的控制，通过控制声波的传播途径和大小来获得校准水听器阵列灵敏度所需的声场，实现现场条件下在空气中对水听器灵敏度的测试；进行比较法测量水听器灵敏度时，需要定位机构及对测试时的声场进行实时监控，保证标准传感器比较法测试时前后定位的准确和测试时声场的稳定性。
所述被测水听器X、标准水听器P的等效声中心重合在声场的同一点上使它们接受同样的声波场声压，并分别测定它们的转移阻抗，用标准水听器P作参考标准，校准时，将辅助扬声器F、被测水听器X、标准水听器P分别测量换能器对辅助扬声器F-标准水听器P，辅助扬声器F-被测水听器X的转移阻抗模|ZFP|和|ZFX|，则待校水听器的自由场灵敏度MX为：
Figure BDA0001799221320000021
式中：|ZFP|＝|UFP/IF|，|ZFX|＝|UFX/I′F|-转移阻抗模；
UFX-待测水听器X的开路电压；
UFP-标准水听器P的开路电压；
MP-标准水听器的自由场灵敏度；
dFX-发射器F到待测水听器X声中心间的距离；
dFP-发射器F到标准水听器P声中心间的距离。
若校准时使IF＝I'F，则上式为：
Figure BDA0001799221320000031
或用级表示：
20lgMx＝20lgMp+20lgUFX-20lgUFP+20lgdFX-20lgdFP。
具体测试有以下步骤：
1)控制音频信号发生器16产生所需要的音频信号，通过音频功率放大器17放大信号驱动扬声器7工作；
2)通过标准传感器(传声器或水听器)监测声校准腔体11内被测水听器X22布置位置(同一深度)处的声压，测量其开路电压；
3)保持相同激励的条件下，在相同位置放置被测水听器X22，测量其接收到的开路电压。
4)把测试数据代入公式：
Figure BDA0001799221320000032
计算，获得被测水听器的灵敏度。
所述步骤2)和3)的测量过程中，利用监测加速度计监测整个测试过程中声波传播特性以确保测试过程中系统状态的稳定性。
所述比较法测试水听器灵敏度时，采用高精度定位机构对测试时的声场进行实时监控，保证比较法测试时前后定位的准确和测试时声场的稳定性。
所述声场实时监控通过对声校准腔体的振动监测，确保比较法测试前后声校准腔体内声波发生的稳定与可靠，减少由于声场的差异所引起的测试误差。
本发明的有益效果为：
1、本发明利用空气中特定的声场设计，在空气中实现对水听器灵敏度的测量；利用比较法原理解决了水听器单元在空气中的测量所需声场与技术问题；它利用特定的腔体设计技术实现在空气中对扬声器声场传播的控制，满足空气中水听器灵敏度测试所需，实现对现有水听器灵敏度水声测试的有效补充，由于实现方法简单有效，能用于小尺寸水听器单元生产现场的测试；整套测试装置简单，易于操作，可以在实验室或生产现场进行测试，值得推广。
2、本发明是水听器灵敏度空气中测量方法，可以实现小尺寸水听器阵元灵敏度空气中测量需求，是低频水听器灵敏度水声测量方法的有效补充；利用专业研制的空气声校准腔体满足小尺寸水听器在空气中测试所需声场的需求，实现空气中对水听器阵元灵敏度的准确测量；通过利用比较法对空气中水听器灵敏度进行测试，可以得到水听器阵元间的幅度与相位灵敏度响应，实现水听器阵元间相幅一致性的测量；由于空气中测试系统比较容易实施，特别是低频时一次可以进行多个阵元的同时测试，比较适合大排量水听器灵敏度的测试，可以用于水听器批产时在生产线上对阵元的测试，对提高声纳阵单元性能的测试效率具有非常重大的意义。
附图说明
图1为本发明的测试腔体结构示意图。
图2为本发明的系统示意图。
图3为本发明的声校准腔体等效模型图。
图4为本发明的比较法第一步原理示意图。
图5为本发明的比较法第二步原理示意图。
附图标记说明：声波传播通道1、隔声层A2、隔声层B3、隔声材料层A4、隔声材料层B5、音频信号输入线6、扬声器7、声波8、声波发生腔9、隔声箱10、声校准腔体11、测试腔体12、被测阵元13、监测加速度计14、隔振系统15、音频信号发生器16、音频功率放大器17、数据采集系统18、数字示波器19、触发信号20、辅助扬声器F21、被测水听器X22、标准水听器P23。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例：如附图所示，这种小尺寸水听器灵敏度空气中测试系统，主要包括声校准腔体11、测试腔体12、被测阵元13、监测加速度计14、隔振系统15、音频信号发生器16、音频功率放大器17、数据采集系统18、数字示波器19、触发信号20以及适合比较法测试所需仪器设备，音频信号发生器16通过连接音频功率放大器17将信号传输给隔声箱10的音频信号输入线6，隔声箱10为测试腔体12并设置在声校准腔体11中，隔声箱10周围设置隔振系统15进行隔振，可以防止隔声箱10的低频振动传播到地面引起共振，隔声箱10的声波传播通道1内放置被测阵元13隔声箱10上还连接有监测加速度计14，监测整个隔声箱10的振动情况，监测加速度计14和数字示波器19连接，音频信号发生器16产生触发信号20给数据采集系统18和数字示波器19，被测阵元13连接数据采集系统18和数字示波器19。
所述声波发生腔9，主要包括声波传播通道1、音频信号输入线6、扬声器7、声波8、隔声箱10，隔声箱10由隔声层A2、隔声层B3、隔声材料层A4、隔声材料层B5相互间隔构成，以确保发生的压力波不会向外泄漏，隔声箱10内部安装一个扬声器7和连通扬声器7与外界的声波传播通道1，扬声器7连接音频信号输入线6并根据信号产生声波8，声波发生腔9在空气中为小尺寸水听器的单个被测阵元13提供了所需的声场，同时通过改变扬声器7的激励信号，可以在测试时为单个被测阵元13提供可选的激励；隔声箱10通过填充隔声材料等隔声设计，能减少正常水听器单元测试中所遇到的背景噪声，提高测试时的信噪比。
所述声波发生腔9在空气中产生水听器灵敏度测试所需声场。
所述声校准腔体11通过变截面的声管与不同直径声管的组合，通过对声波的扩散与汇聚的控制，实现对其声波传播路径与声波大小的控制。
所述测试腔体12利用不同形状与尺寸腔体的组合设计来改变空气中声波的传播途径从而实现对声波的控制，通过控制声波的传播途径和大小来获得校准水听器阵列灵敏度所需的声场，实现现场条件下在空气中对水听器灵敏度的测试。
水听器低频灵敏度通常在振动液柱或密闭腔中进行。由于振动液柱或密闭腔测试系统的特殊性，通常用于一级校准中。振动液柱与密闭腔这类低频校准腔体由于声场空间尺寸的限制，只能用于小尺寸水听器灵敏度的校准。同时，由于用于低频校准腔体的低频声源设计制作困难，腔体内声场比较复杂。制作成本比较高。随着声纳阵向低频大尺寸方向的发展，组成声纳阵的阵元数量也越来越多。为了保证成阵的质量和满足现代信号处理技术的需求，通常都需要对阵元的性能(一致性)进行筛选。特别是对型号声纳批量生产中阵元性能的测量，关系到声纳性能指标及技战术指标的实现。相比之下，在空气中由于低频扬声器技术的成熟，无需考虑声源的制作问题，重点在于掌握声波传播的控制技术，研制满足需要的空气声校准腔体，是比较容易实现低频校准的。而且低频段由于腔体相对水声的校准腔体要大，可以进行一次多阵元的同时测量。利用空气声校准腔体组成的测量系统可以用于比较容易实现20Hz～5kHz的水听器阵元灵敏度测试。相比之下，在水声中，腔体中校准只能满足1kHz以下的频段，1kHz以上需要在自由场中测试。因此，小尺寸水听器低频灵敏度的空气中校准装置可以很好地满足现有型号声纳阵元灵敏度的低频校准需求，满足批量水听器阵元灵敏度现场测试需求。成为水听器灵敏度水声低频测试的有效补充。
空气中声波场控制与发生原理是基于声传输线原理，把扬声器7产生的声波8通过不同尺寸声波管组合的结构实现对声波传播的控制。在空气中声校准腔体11的设计包括如附图1所示。扬声器7与声波传播通道1的设计及其隔声处理。其中，声校准腔体11的声波发生与传播控制是关键，其理论模型如附图3所示，利用变截面的声管与不同直径声管的组合，通过对声波的扩散与汇聚的控制，实现对其声波传播路径与声波大小的控制，通过理论设计，从而获得我们所需要声波场。
附图3中，声波从截面积为S1的管中通过截面积为S2管子传播到截面积为Sx管中，再通过一个号筒的传播作用到被测阵元13上，而号筒的反向使用就是利用它的聚声效果。我们可以利用不同声腔截面积的变化来实现所需声压的变化。根据在不同管子界面处存在的声学边界条件，比如声压连续和体积速度连续两个边界条件。通过连续使用这两个边界条件，我们就可以得到声波从截面积为S1的管子通过截面积为S2传导到截面积为Sx时声压的变化关系：
Figure BDA0001799221320000051
式中p1和p2分别是截面积为S1管中的声压和截面积为Sx的声压。随后通过号筒时的声传播规律满足的特殊波动方程为：
Figure BDA0001799221320000061
最终，声波达到号角最小端的声场分布满足上述两式。
这种小尺寸水听器灵敏度空气中测试方法，主要采用比较法测试，具体的测试原理采用标准传感器比较法，包括以下步骤：
1)在辅助扬声器F21发射的声波场中测定标准水听器P23的转移阻抗后取出声场；
2)把被测水听器X22放入标准水听器P23所在的声场中测量。
所述被测水听器X22、标准水听器P23的等效声中心重合在声场的同一点上使它们接受同样的声波场声压，并分别测定它们的转移阻抗，用标准水听器P23作参考标准，校准时，将辅助扬声器F21、被测水听器X22、标准水听器P23分别测量换能器对辅助扬声器F21-标准水听器P23，辅助扬声器F21-被测水听器X22的转移阻抗模|ZFP|和|ZFX|，则待校水听器的自由场灵敏度MX为：
Figure BDA0001799221320000062
式中：|ZFP|＝|UFP/IF|，|ZFX|＝|UFX/I′F|-转移阻抗模；
UFX-待测水听器X的开路电压；
UFP-标准水听器P的开路电压；
MP-标准水听器的自由场灵敏度；
dFX-发射器F到待测水听器X声中心间的距离；
dFP-发射器F到标准水听器P声中心间的距离。
若校准时使IF＝I'F，则上式为：
Figure BDA0001799221320000063
或用级表示：
20lgMx＝20lgMp+20lgUFX-20lgUFP+20lgdFX-20lgdFP。
具体测试有以下步骤：
1)控制音频信号发生器16产生所需要的音频信号，通过音频功率放大器17放大信号驱动扬声器7工作；
2)通过标准传感器(传声器或水听器)监测声校准腔体11内被测水听器X22布置位置(同一深度)处的声压，测量其开路电压；
3)保持相同激励的条件下，在相同位置放置被测水听器X22，测量其接收到的开路电压。
4)把测试数据代入公式：
Figure BDA0001799221320000071
计算，获得被测水听器X22的灵敏度。
所述步骤2)和3)的测量过程中，利用监测加速度计14监测整个测试过程中声波传播特性以确保测试过程中系统状态的稳定性。
所述比较法测试水听器灵敏度时，采用高精度定位机构对测试时的声场进行实时监控，保证比较法测试时前后定位的准确和测试时声场的稳定性。
所述高精度定位机构在空气中测试时把被测水听器X22和标准水听器P23准确地定位到校准腔体内的相同的一个位置，确保比较法测试前后替代时位置的可复现性和测试声场的一致性。
所述声场实时监控通过对声校准腔体11的振动监测，确保比较法测试前后声校准腔体11内声波8发生的稳定与可靠，减少由于声场的差异所引起的测试误差。
本发明类似振动液柱的空气中声场设计，解决了水听器空气中测量所需的声场问题，利用标准传感器比较法实现了水听器灵敏度空气中的测量，并与水中结果比对，获得了满意的效果。
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 (2)

1.一种小尺寸水听器灵敏度空气中测试系统，其特征在于：整个测试系统由一个空气中能产生水听器灵敏度测试所需声场的腔体、减隔振系统及适合比较法测试所需仪器设备组成；整个空气声腔体利用不同形状与尺寸的腔体的组合设计来改变空气中声波的传播途径来实现对声波的控制，通过控制声波的传播途径和大小来获得校准水听器阵列灵敏度所需的声场，实现现场条件下在空气中对水听器灵敏度的测试；进行比较法测量水听器灵敏度时，需要定位机构及对测试时的声场进行实时监控，保证标准传感器比较法测试时前后定位的准确和测试时声场的稳定性；
具体包括声校准腔体（11）、测试腔体（12）、被测阵元（13）、监测加速度计（14）、隔振系统（15）、音频信号发生器（16）、音频功率放大器（17）、数据采集系统（18）、数字示波器（19）、触发信号（20），音频信号发生器（16）通过连接音频功率放大器（17）将信号传输给隔声箱（10）的音频信号输入线（6），隔声箱（10）为测试腔体（12）并设置在声校准腔体（11）中，隔声箱（10）周围设置隔振系统（15）进行隔振，隔声箱（10）的声波传播通道（1）内放置被测阵元（13），隔声箱（10）上还连接有监测加速度计（14），监测加速度计（14）和数字示波器（19）连接，音频信号发生器（16）产生触发信号（20）给数据采集系统（18）和数字示波器（19），被测阵元（13）连接数据采集系统（18）和数字示波器（19）；
声波发生腔（9），主要包括声波传播通道（1）、音频信号输入线（6）、扬声器（7）、隔声箱（10），隔声箱（10）由隔声层A（2）、隔声层B（3）、隔声材料层A（4）、隔声材料层B（5）相互间隔构成，隔声箱（10）内部安装一个扬声器（7）和连通扬声器（7）与外界的声波传播通道（1），扬声器（7）连接音频信号输入线（6）并根据其传输的信号产生声波（8）；所述声波发生腔（9）在空气中产生水听器灵敏度测试所需声场；
所述声校准腔体（11）通过变截面的声管与不同直径声管的组合，通过对声波的扩散与汇聚的控制，实现对其声波传播路径与声波大小的控制。
2.根据权利要求1所述的小尺寸水听器灵敏度空气中测试系统，其特征在于：所述测试腔体（12）利用不同形状与尺寸腔体的组合设计来改变空气中声波的传播途径从而实现对声波的控制，通过控制声波的传播途径和大小来获得校准水听器阵列灵敏度所需的声场。
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