CN109764950A - 一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，该方法涉及水声测量领域，主要用于同振式矢量水听器驻波管低频绝对校准。本方法将标准加速度计刚性固定在同振式矢量水听器的被测通道表面，让标准加速度计与同振式矢量水听器在水下声波作用下共同振动，通过标准加速度计测量当前同振式矢量水听器被测通道的加速度，进而得到同振式矢量水听器矢量参数的灵敏度。由于标准加速度计校准的误差远小于同振式矢量水听器测量的误差，因此该方法是一种绝对校准方法。本发明能够提高同振式矢量水听器矢量参数的测量精度，降低测量不确定度，弥补当前驻波管比较法测量的不足。

Description

一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法

技术领域

本发明涉及水声测量领域，属于同振式矢量水听器灵敏度测量领域，主要是一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法。

背景技术

矢量水听器可以共点、同步测量声场中某点处的声压和声压梯度(或质点振速、质点加速度)等水下声场中的标量和矢量信息，增加了信息种类和数量，拓展了后置信号处理空间，大大提高了水声测量技术的检测能力，在水下目标定位、辐射噪声测量、海洋低频信号检测、海底沉积层特性调查、水雷声引信、声纳浮标以及区域警戒等方面有着广阔的应用前景。同振式矢量水听器是当前应用比较广泛、技术较为成熟的一种矢量水听器。它的平均密度与所处媒质密度接近相等，在有声波作用下，其振动幅度和相位与介质未放入同振式矢量水听器前质点的振动幅度和相位相同，通过球体内部的矢量传感器就可以获取当前声场中介质质点的矢量信息。同振式矢量水听器具有体积小、质量轻、分辨力好，灵敏度高等特点，特别是在低频其指向性良好，因此特别适用于声纳设备以及海洋噪声测量。

目前，同振式矢量水听器的低频校准通常在驻波管中进行，主要的测量方法有标准水听器比较法和加速度计绝对法。在标准水听器比较法中，利用已经校准过的标准水听器测量驻波管中某一深度处的声压值，利用该声压值推算同振式矢量水听器声中心处的声压梯度、质点振速和加速度，完成该同振式矢量水听器声压灵敏度和矢量通道灵敏度的校准。这种方法虽然原理简单，易于操作，但是由于在测量过程中引入了标准水听器，导致了最终测量结果的不确定度较高。在驻波管绝对法校准中，通常需要将标准加速度计固定在驻波管底部的发射换能器或振动台上，通过测量发射换能器或振动台表面的加速度推算驻波管中不同深度的声压分布，进而得到同振式矢量水听器声压灵敏度和矢量灵敏度。由于标准加速度计灵敏度不确定度非常低(近似忽略不计)，因此这种方法可以认为是一种绝对校准方法。但是，这种方法在频率较高时，通过换能器或振动台推算驻波管中声场的误差较大，不能够满足同振式矢量水听器绝对校准的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，可以在驻波管腔体中实现同振式矢量水听器的低频绝对校准，降低同振式矢量水听器驻波管低频校准的测量不确定度。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，包括如下步骤：

1)、在驻波管中形成驻波声场，即在水平面为均匀的声场，同一深度处各点的声压相等，不形成声压梯度，质点速度和加速度为0；而在垂直方向声压的分布为正弦分布，声场满足p＝sinkd，p为声压，k为波数，d为入水深度；仅仅在垂直方向形成声压梯度，水下质点的振速和加速度只沿着垂直放线分布；

2)、测量时，将灵敏度已知的标准加速度计刚性固定在同振式矢量水听器被测通道的表面，使两者在垂直方向的声压梯度作用下共同振动；利用已知灵敏度的标准加速度计直接测量同振式矢量水听器在水下的质点加速度，进而得到同振式矢量水听器的矢量参数灵敏度。

驻波管中只在垂直方向存在声压梯度，需要保证同振式矢量水听器的声中心、被测矢量通道以及标准加速度计的中心在同一条直线上，并且垂直向下，整个系统不受到来自其他方向声压梯度的干扰。

所述的标准加速度计和同振式矢量水听器构成的系统通过弹性材料悬挂在圆环形校准装置中，保证同振式矢量水听器在工作时处于一个悬浮的状态；同时，为了保证标准加速度计不影响同振式矢量水听器在水下自由悬浮的状态，标准加速度计的质量不应大于同振式矢量水听器质量的5‰。

为标准加速度计配备了信号调理与放大设备以及发射换能器，底部发射换能器的低频发射响应要足够高，用以在驻波管中产生满足测试信噪比要求的单频连续信号，并对加速度计输出的信号进行了信号调理和滤波放大，保证在低频条件下，标准加速度计有足够高的响应。

本发明的有益效果为：本发明将加速度计直接刚性固定在同振式矢量水听器的表面，令其与同振式矢量水听器共同振动，能够直接测得同振式矢量水听器的灵敏度。这种方法受驻波管中声场分布偏差的影响较小，并且具有较低的测量不确定度，是一种绝对校准方法，能够弥补当前测量方法的不足。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

附图标记说明：悬挂装置1，驻波管2，同振式矢量水听器3，标准加速度计4.

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明利用已知灵敏度的标准加速度计可以直接测量同振式矢量水听器在水下的质点加速度，实现同振式矢量水听器矢量通道灵敏度的绝对校准，弥补当前驻波管比较法校准同振式矢量水听器的不足，进一步提升测量精度；利用标准加速度计可以实现同振式矢量水听器水声声压、声压梯度、质点振速、质点加速度等矢量参数灵敏度的测量。

本发明公开了一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，需要在驻波管2中形成驻波声场，即在水平面为均匀的声场，同一深度处各点的声压相等，不形成声压梯度，质点速度和加速度为0；而在垂直方向声压的分布为正弦分布，声场满足p＝sinkd，p为声压，k为波数，d为入水深度；仅仅在垂直方向形成声压梯度，水下质点的振速和加速度只沿着垂直放线分布；为了能够实现同振式矢量水听器的绝对校准，测量时需要将灵敏度已知的标准加速度计4刚性固定在同振式矢量水听器3(被测矢量水听器)被测通道的表面，保证在声波的作用下，使同振式矢量水听器与标准加速度计在垂直方向的声压梯度作用下共同振动。由于驻波管中只在垂直方向存在声压梯度，需要保证同振式矢量水听器的声中心、被测矢量通道以及标准加速度计的中心在同一条直线上，并且垂直向下，整个系统不受到来自其他方向声压梯度的干扰。

本发明利用标准加速度计直接得到同振式矢量水听器被测矢量通道的加速度，不需要再根据管中声场的分布以及波动方程的关系获得同振式矢量水听器的矢量通道灵敏度；标准加速度计的校准误差远远小于标准水听器的校准误差，因此利用标准加速度计测量同振式矢量水听器的矢量通道灵敏度可以大大提升测量精度。

本发明中，由标准加速度计和同振式矢量水听器构成的系统需要利用橡皮筋、弹簧等弹性材料悬挂装置1在圆环形校准装置中，保证同振式矢量水听器在工作时处于一个悬浮的状态。同时，为了保证标准加速度计不影响同振式矢量水听器在水下自由悬浮的状态，标准加速度计的质量不应大于同振式矢量水听器质量的5‰；为标准加速度计配备了特定的信号调理与放大设备以及发射换能器。由于标准加速度计较小，其灵敏度通常较低，底部换能器的低频发射响应要足够高，用以在驻波管中产生满足测试信噪比要求的单频连续信号，并对加速度计输出的信号进行了信号调理和滤波放大，保证在低频条件下，标准加速度计有足够高的响应。

为了解决同振式矢量水听器低频绝对校准的问题，需要在驻波管中对同振式矢量水听器的矢量通道灵敏度进行校准。为此，本发明利用标准加速度计实现了同振式矢量水听器的绝对校准。

在驻波管中，声压水平方向上呈均匀分布，其声压梯度、质点振速和质点加速度都为0，而在垂直方向上，其声场分布满足：

p＝p₀sinkd (1)

其中k为波数，d为入水深度。

根据式(1)可以得到声压梯度质点振速v和加速度a的表达式：

通过分析可知，在驻波管同一深度的水平方向上每一点处的声压相等，声压梯度、质点振速和质点加速度都为0，因此矢量参数不存在水平分量，只在垂直方向上存在分量。因此只需测量同振式矢量水听器在垂直方向上的矢量参数即可得到当前同振式矢量水听器的矢量参数灵敏度。

为了能够准确获得同振式矢量水听器的矢量灵敏度，需要在同振式矢量水听器被测通道方向上固定一个经过校准，灵敏度已知的标准加速度计，并将该通道垂直放置于驻波管中，令同振式矢量水听器和标准加速度计在声波的作用下沿垂直方向一同振动，通过读取标准加速度计的开路电压获得当前同振式矢量水听器所在声场位置中的质点加速度，进而得到同振式矢量水听器的矢量参数灵敏度。

如图1所示，将标准加速度计固定在同振式矢量水听器被测矢量通道上的正中间，保证该标准加速度计与同振式矢量水听器矢量通道在同一条直线共同振动。为了确保标准加速度计对同振式矢量水听器的振动影响可以忽略不计，标准加速度计的质量应不大于同振式矢量水听器质量的5‰。将标准加速度计刚性固定在同振式矢量水听器上，安装在矢量水听器悬挂装置上，保证同振式矢量水听器的被测通道和加速度计垂直向下。用信号源激励发射换能器在水下产生测量所需要的声信号，同振式矢量水听器和标准加速度计在声场的作用下在垂直方向振动。由于标准加速度计和同振式矢量水听器是刚性连接，因此标准加速度计和同振式矢量水听器在水下具有相同的加速度。

同振式矢量水听器内部的传感器可以使加速度传感器、速度传感器和位移传感器，根据传感器的不同对应不同的输出结果。当同振式矢量水听器内部的传感器为加速度传感器时，假设标准加速度计的灵敏度为M₀(单位为m/s²)，开路电压为U₀；同振式矢量水听器的开路电压为U_X，此时同振式矢量水听器的被测通道的加速度灵敏度级M_a为(参考值为1V·s²/m)：

通常也可以把它表示成声压灵敏度级M_p的形式(参考值为1V/μPa)：

当同振式矢量水听器内部的传感器为速度传感器时，此时同振式矢量水听器的被测通道的加速度灵敏度级M_v为(参考值为1V·s/m)：

通常也可以把它表示成声压灵敏度级M_p的形式(参考值为1V/μPa)：

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)、在驻波管中形成驻波声场，即在水平面为均匀的声场，同一深度处各点的声压相等，不形成声压梯度，质点速度和加速度为0；而在垂直方向声压的分布为正弦分布，声场满足p＝sinkd，p为声压，k为波数，d为入水深度；仅仅在垂直方向形成声压梯度，水下质点的振速和加速度只沿着垂直放线分布；

2)、测量时，将灵敏度已知的标准加速度计刚性固定在同振式矢量水听器被测通道的表面，使两者在垂直方向的声压梯度作用下共同振动；利用已知灵敏度的标准加速度计直接测量同振式矢量水听器在水下的质点加速度，进而得到同振式矢量水听器的矢量参数灵敏度。

2.根据权利要求1所述的基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：驻波管中只在垂直方向存在声压梯度，需要保证同振式矢量水听器的声中心、被测矢量通道以及标准加速度计的中心在同一条直线上，并且垂直向下，整个系统不受到来自其他方向声压梯度的干扰。

3.根据权利要求1所述的基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：所述的标准加速度计和同振式矢量水听器构成的系统通过弹性材料悬挂在圆环形校准装置中，保证同振式矢量水听器在工作时处于一个悬浮的状态；同时，为了保证标准加速度计不影响同振式矢量水听器在水下自由悬浮的状态，标准加速度计的质量不应大于同振式矢量水听器质量的5‰。

4.根据权利要求1所述的基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：为标准加速度计配备了信号调理与放大设备以及发射换能器，底部发射换能器的低频发射响应要足够高，用以在驻波管中产生满足测试信噪比要求的单频连续信号，并对加速度计输出的信号进行了信号调理和滤波放大，保证在低频条件下，标准加速度计有足够高的响应。