CN110058213A - 可调式声隔离度测试系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可调式声隔离度测试系统与方法，其中可调式声隔离度测试系统包含发射子系统、接收子系统以及筒体；所述发射子系统包含发射换能器，接收子系统包含第一水听器与第二水听器，所述筒体上安装有障板；发射换能器、第一水听器分别位于障板的两侧；发射换能器与第二水听器位于障板的同一侧或不同侧；发射换能器和/或第一水听器能够相对筒体发生位移。本发明在现有的水声设备筒体上增加了收、发换能器可调装置，弥补了现有水声设备在声隔离度测试系统中无法调节换能器布放距离的缺陷。

Description

可调式声隔离度测试系统与方法

技术领域

本发明涉及水声测试系统领域，具体地，涉及一种可调式声隔离度测试系统与方法。

背景技术

现有水声设备为了实现边收边发的功能，要求水声设备具有良好的声隔离性能，即发射换能器发射大功率宽带信号时，接收水听器不受发射信号影响，而依旧能接收远处的声纳信号。通常水声设备的外观为圆柱形筒体，内部装载有信号发射机、接收机和信号处理模块等电子设备，收/发换能器在筒体上同轴安装。

为了满足水声设备水平无指向性的性能需求，一般收/发换能器的外观均设计为圆柱形。其中接收水听器体积小，重量轻，通常安装于水声设备(筒体)的轴向一端；发射换能器由于频率低，体积大，重量重，为了获得一定的声隔离效果，通常采用吊放方式，吊装在筒体轴向的另一端，且与接收水听器和筒体保持同轴。由于受到收/发换能器的指向性、筒体散射与衍射、收发距离等因素对收/发声隔离度的影响，仿真和理论方法对系统隔离度的计算误差较大。因此对水声设备进行声隔离度研究时，需要设计和组建声隔离度测试系统对水声设备的声隔离度进行实物测试。

目前没有专门进行声隔离度测量的水声测试系统，即便借助现有水声测量设备进行测试系统组建，也只能针对相对安装位置固定不变的水声设备进行隔离度测试，无法在测试过程中根据测试频段的需求，实时调节发射换能器与筒体之间、接收水听器与筒体或障板之间的相对位置和距离，更加无法最大限度的发挥障板在工作频段内对隔离度的有益贡献。这些缺陷给整个系统收/发隔离度的测试和研究带来诸多不便。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可调式声隔离度测试系统与方法。

根据本发明提供的可调式声隔离度测试系统，包含发射子系统、接收子系统以及筒体；

所述发射子系统包含发射换能器，接收子系统包含第一水听器与第二水听器，所述筒体上安装有障板；

发射换能器、第一水听器分别位于障板的两侧；发射换能器与第二水听器位于障板的同一侧或不同侧；发射换能器和/或第一水听器能够相对筒体发生位移。

优选地，发射子系统还包含发射模块；发射模块将设定的发射电信号传输至发射换能器后，发射换能器将发射电信号进行电声转换并向水中发射声信号；

接收子系统还包含接收模块；第一水听器、第二水听器接收到水中的声信号后，分将接收到的声信号转换成第一接收电信号、第二接收电信号并传输至接收模块。

优选地，所述发射模块包含信号发生器、功率放大器、阻抗适配器、取样器以及第一示波器；所述阻抗适配器连接至发射换能器；

所述接收模块包含前置放大器、滤波器、信号采集器以及第二示波器；所述第一水听器与第二水听器均连接至前置放大器。

优选地，所述功率放大器与阻抗适配器一体成型或者单独布置；

所述发射换能器的数量为一个或多个；当存在多个发射换能器时，多个发射换能器的频段相同或存在不同。

优选地，所述发射换能器通过设置的发射可调吊放装置安装在筒体上，第一水听器通过设置的接收可调装置安装在筒体上。

优选地，所述第一位移调节机构包含依次连接的水下电机、水下卷扬机、排缆导向机构；

发射换能器通过设置的承重电缆连接至排缆导向机构上；或者，发射换能器配设有非承重电缆，发射换能器通过设置的吊放缆绳连接至排缆导向机构上；

水下电机配设有线控箱，线控箱通过有线控制装置或无线控制装置对水下电机的启闭进行控制。

优选地，所述障板安装在筒体沿轴向的两端中靠近第一水听器的一端；障板包含反声材料层和/或吸声材料层；

第一水听器、发射换能器以及筒体同轴布置，第二水听器与发射换能器布置在同一水平面上；

所述筒体上设置有距离传感器。

优选地，筒体上还设置有配重块；

筒体采用耐腐蚀材料制成并在表面进行防腐处理。

本发明还提供了一种使用上述的可调式声隔离度测试系统的声隔离度测试方法，包含以下步骤：

步骤S1：将第一水听器、第二水听器、发射换能器、障板以及筒体吊放至水下；第一水听器、发射换能器安装或布放在障板轴向的上侧、下侧，第一水听器的声中心与发射换能器的声中心之间的距离为d₂；

步骤S2：将第二水听器单独布放在远离筒体的空旷水域，第二水听器的声中心与发射换能器的声中心位于同一深度，两者水平距离为d₁；

步骤S3：启动发射模块，激励发射换能器向水中发射设定功率的声信号；

步骤S4：启动接收模块，监测并记录第一水听器的接收电压信号V_收，监测并记录第二水听器的接收电压信号V_标。

步骤S5：按如下公式计算筒体的隔离度G：

优选地，还包含以下步骤：

清洁步骤：将第一水听器、第二水听器、发射换能器的表面用汽油或洗洁精擦拭干净后放入水下；

调整测量步骤：控制发射换能器和/或第一水听器相对筒体进行位置调整，计算位置调整后的G。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明在现有的水声设备筒体上增加了收、发换能器可调装置，弥补了现有水声设备在声隔离度测试系统中无法调节换能器布放距离的缺陷。

2、本发明不但使得在静态测试过程中，改变换能器距离筒体的距离变得简单方便，而且更进一步提高了测试系统实时调节布放距离的动态测试能力，较好的达到了系统隔离度的测试目标，填补了水声设备测试系统可调隔离度测试的空白，对系统实现系统边发边收技术提供了保障。

3、本发明涉及的可调式声隔离度测试系统不仅可以用来进行隔离度的测试研究，也可以对水声设备中水声换能器的性能研究提供平台。

4、本发明为研究换能器在水声设备中性能的变化提供了可能，通过隔离度测试结果的反馈，可以进一步优化水声换能器的设计，也为在水声设备中研究换能器指向性的变化规律提供了平台。

5、本发明涉及的可调式声隔离度测试系统的测试方法简便易操作，可根据不同的测试需求进行调整，工程应用性较强。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为可调式声隔离度测试系统构成示意图。

图2为可调式声隔离度测试系统工作状态下结构示意图。

图中示出：

发射模块 1 信号发生器 101

发射换能器 2 功率放大器 102

发射可调吊放装置 3 阻抗适配器 103

接收模块 4 取样器 104

第一水听器 5 第一示波器 105

接收可调装置 6 前置放大器 401

障板 7 滤波器 402

筒体 8 信号采集器 403

第二水听器 9 第二示波器 404

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1、图2所示，本发明提供的可调式声隔离度测试系统，包含发射子系统、接收子系统以及筒体8；所述发射子系统包含发射换能器2，接收子系统包含第一水听器5与第二水听器9，所述筒体8上安装有障板7；发射换能器2、第一水听器5分别位于障板7的两侧；发射换能器2与第二水听器9位于障板7的同一侧或不同侧；发射换能器2和/或第一水听器5能够相对筒体8发生位移。其中，所述发射换能器2通过设置的发射可调吊放装置3安装在筒体8上，第一水听器5通过设置的接收可调装置6安装在筒体8上。发射子系统还包含发射模块1；发射模块1将设定的发射电信号传输至发射换能器2后，发射换能器2将发射电信号进行电声转换并向水中发射声信号；接收子系统还包含接收模块4；第一水听器5、第二水听器9接收到水中的声信号后，分将接收到的声信号转换成第一接收电信号、第二接收电信号并传输至接收模块4。

实际应用中，所述发射模块1和接收模块4作为系统干端放置在水面以上；所述发射换能器2、发射可调吊放装置3、第一水听器5、接收可调装置6、障板7、筒体8和第二水听器9作为系统湿端，工作时放置在水面以下。发射可调吊放装置3、接收水听器5、接收可调装置6、障板7均与筒体8固定安装。第一水听器5安装于筒体8的上部(靠近水面的一端)，发射换能器2吊放于筒体8的下部(靠近水底的一端)。

所述发射模块1包含信号发生器101、功率放大器102、阻抗适配器103、取样器104以及第一示波器105；所述阻抗适配器103连接至发射换能器2。进行测试时，信号发生器101产生一串脉冲或连续的信号，并且能对信号的频率、脉宽、幅度、相位等进行设定；信号经过功率放大器102进行放大，并通过阻抗适配器103进行阻抗匹配，以实现所需量级的输出电信号，放大后的电信号通过发射换能器2转换为声信号向水中进行辐射。取样器104对加载到发射换能器2两端的电压信号和电流信号进行取样，并输入到第一示波器105进行信号监测和数据分析处理。阻抗适配器103可合并在功率放大器102内成为一体，也可单独选型。优选地，功率放大器102工作频率的最大值不小于100kHz。所述发射换能器2依据实际工作频段进行设计，可以是单个换能器，也可由多个频段的换能器阵元组合设计而成。发射换能器2的电缆可选用承重电缆也可选用非承重电缆，若采用非承重电缆，发射换能器2吊放时需配合设计吊放缆绳；若采用承重电缆，该电缆在确保具有吊放功能的同时，电缆干端应预留足够的长度，以便引出后连接发射模块1。整个吊放过程中发射换能器2应与筒体8保持同轴。所述发射可调吊放装置3，其主要功能是依据隔离度的测试需要调节发射换能器2距筒体8的距离。该吊放装置安装在水声设备筒体8的内部，且具有防水性能，可由水下电机、水下卷扬机和排缆导向机构等实现深度调节。优选地，可调距离≥15m，起重重量≥50kg。升降装置拆装方便，牢固可靠。电机控制可为有线控制，将线控箱放置在岸上；也可以通过无线控制装置实现。

所述接收模块4包含前置放大器401、滤波器402、信号采集器403以及第二示波器404；所述第一水听器5与第二水听器9均连接至前置放大器401。进行测试时，第一水听器5和第二水听器9接收水中声信号，并将声信号转换为电信号，电信号经前置放大器402放大，滤波器402滤波后在第二示波器404上进行显示监测，并通过信号采集器403进行信号处理和采集。优选地，所述第一水听器5的外观为圆柱形或球形，其重量小于30kg，其工作频率范围与发射换能器2的工作频率范围相同。优选地，所述接收可调装置6中可调距离的装置可以是电动控制也可以是手动控制，最大升降高度不小于500mm，升降距离可控并可实时反馈距离数据。升降过程中需确保第一水听器5的几何中心落在筒体8的轴线上。

所述障板7安装在筒体8沿轴向的两端中靠近第一水听器5的一端。优选地，障板7直径与筒体8相同，障板7的高度为5mm-300mm，障板7可为单层或多层材料，也可以是阻抗渐变材料。障板7包含反声材料层和/或吸声材料层；若选用反声材料，其声压反射系数rP≥0.85；若选用吸声材料，其吸声系数α≥0.85。优选地，所述筒体8的外径为150mm-550mm，壁厚为3mm-8mm，长度为0.5m-3m。入水后筒体8的整体净浮力应小于等于零，筒体8的内部可装入配重块，也可以在筒体下方吊装重物，但配重物不可影响发射换能器2的正常工作。为确保隔离度的测试要求，筒体8在水下的测试过程中均保持竖直姿态。筒体8的材料应具有耐腐蚀特性，表面需做防腐处理。

优选地，发射可调吊放装置3和接收可调装置6均可配备测试距离的传感器，例如设置于筒体8上的距离传感器，距离传感器可以向测试系统终端实时回传距离数据。整套可调式声隔离度测试系统可由计算机程控进行自动声学测量，也可手动操作进行。

本发明还提供了一种使用上述的可调式声隔离度测试系统的声隔离度测试方法，包含以下步骤：

步骤S1：将第一水听器5、第二水听器9、发射换能器2、障板7以及筒体8吊放至水下；第一水听器5、发射换能器2安装或布放在障板7轴向的上侧、下侧，第一水听器5的声中心与发射换能器2的声中心之间的距离为d₂；

步骤S2：将第二水听器9单独布放在远离筒体8的空旷水域，第二水听器9的声中心与发射换能器2的声中心位于同一深度，两者水平距离为d₁；

步骤S3：启动发射模块1，激励发射换能器2向水中发射设定功率的声信号；

步骤S4：启动接收模块4，监测并记录第一水听器5的接收电压信号V_收，监测并记录第二水听器9的接收电压信号V_标。

步骤S5：按如下公式计算筒体8的隔离度G：

优选地，所述声隔离度测试方法还包含以下步骤：清洁步骤：将第一水听器5、第二水听器9、发射换能器2的表面用汽油或洗洁精擦拭干净后放入水下；调整测量步骤：控制发射换能器2和/或第一水听器5相对筒体8进行位置调整，计算位置调整后的G。

优选实施方式：

本实施例水声设备的工作频率范围为5kHz—15kHz，发射模块1由信号发生器WF1946B、功率放大器L2(含阻抗适配器)、电压电流取样器VIT13和示波器DSOX3104T构成。发射换能器2选用单个镶拼圆环换能器进行工作，发射换能器电缆不承重，发射换能器2安装配有专用吊放绳索，以保证换能器在水下的姿态稳定且与筒体8同轴。进行测试时，信号发生器WF1946B产生一串单频脉冲信号，设定脉冲信号的频率为10kHz，幅度为1Vpp，脉冲宽度4ms，脉冲周期1s；发射换能器2阻抗约为50Ω，选择功放适配器的合适档位，并经功率放大器L2放大后加载在发射换能器2的电缆端，发射换能器2将电信号转换为声信号向水中进行声辐射。电压电流取样器VIT13对加载到发射换能器两端的电压信号和电流信号进行取样，输入到数字示波器DSOX3104T进行信号监测和数据分析处理。

接收水听器(对应第一水听器5)和标准水听器(对应第二水听器9)接收到水中的声信号后转换成电信号，通过与之连接的接收模块4进行数据显示和处理。接收水听器选用工作频率范围为50Hz-70kHz的圆柱形换能器，其重量为5kg。标准水听器选用B&K8105标准水听器进行测试。接收模块4由前置放大器B&K2636、滤波器NF3628、NI多通道信号采集器PXI-5105和示波器DSOX3104T构成。进行测试时，接收水听器和标准水听器分别在各自的布放位置接收水中声信号，并将声信号转换为电信号，信号经前置放大器B&K2636放大，滤波器NF3628滤波后在示波器DSOX3104T上进行显示监测，并通过NI信号采集器PXI-5105进行信号处理和采集。

如图2所示，发射可调吊放装置3、接收水听器、接收可调装置6、障板7均与筒体8固定安装。接收水听器安装于筒体8的上部(靠近水面的一端)，发射换能器2吊放于筒体8的下部(靠近水底的一端)。筒体8采用涂覆防腐漆的铝材制作，直径为200mm，壁厚为3mm，长度为2m，入水后筒体8的整体净浮力等于零，筒体8的内部装有配重铅块，使得筒体8入水后在水中的姿态保持竖直，保证隔离度的测试要求。

发射可调吊放装置3安装在筒体8的内部，选用防护等级为IP68级的水下电机、水下减速机、水下卷扬机和排缆导向机构等设备实现发射换能器2吊放深度的调节。发射可调吊放装置3的可调最大距离20m，起重重量100kg。电机控制为有线控制，线控箱放置在岸上。接收可调安装装置6的可调距离的装置为手动控制，最大升降高度为500mm，障板7安装在靠近接收水听器的筒体8一端，其直径与筒体8相同为200mm，障板7选用高度为100mm的吸声材料，吸声系数α在5kHz—15kHz的工作频率范围内为0.9。发射可调吊放装置3和接收可调安装装置6均配备测试距离的传感器，并通过WIFI实时回传距离数据。

可调式声隔离度测试系统的测试方法按照以下步骤进行工作：

步骤S1：将发射换能器2、接收水听器和标准水听器的表面用汽油或洗洁精擦拭干净，安装在各自的安装位或布放位置待测，其中接收水听器与发射换能器2布放在筒体的上下两侧，初始状态调节两者之间的距离d2＝2.5m，并同时记录发射换能器2和接收水听器的初始位置；标准水听器单独布放在远离水声设备的空旷水域，其声中心与发射换能器2位于同一深度，水平距离为d1，d1＝10m满足发射换能器对应工作频段的远场距离。

步骤S2：用试验船上起重量为2T的电动葫芦将发射换能器2、筒体8连同固定在筒体8上的发射可调吊放装置3、接收水听器、接收可调安装装置6、障板7整体吊放于水下，其中接收水听器的声中心的入水深度d3＝4m(较优地d3≥1m)，整体水声设备在水中保持竖直姿态——静态测试状态。

步骤S3：启动发射模块1，激励发射换能器2向水中发射频率为5kHz-15kHz的单频脉冲信号。

步骤S4：启动接收模块4，监测并记录接收水听器的接收电压信号V_收，监测并记录标准水听器的接收电压信号V_标。

步骤S5：控制发射可调吊放装置3，调节发射换能器2距筒体8的吊放距离；控制接收可调装置6，调节接收水听器到障板7的距离，实时记录d2的数值。以上所述两种可调距离的装置可同时工作也可以单独工作，可在调节距离的同时，实时记录接收信号的数据，也可调节距离之后再读取数据，也可依据不同的测试需求调整测试方案。例如：

a)单独控制发射可调吊放装置3，调节发射换能器2距筒体8的吊放距离，接收水听器保持初始位置不变，读取并记录d2＝2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m、5.5m时V_收的数据；

b)单独控制接收可调安装装置6，调节接收水听器到障板7的距离，发射换能器2保持初始位置不变，读取并记录d2＝2.5m、2.55m、2.6m、2.65m、2.7m、2.75m、2.8m、2.85m、2.9m、2.95m、3.0m时V_收的数据。

c)上述两种可调装置同时受控并工作，且发射换能器2与筒体8和接收水听器与筒体8的距离d2按等差数列变化。

步骤S6：隔离度计算：

按如下公式计算筒体8(水声设备)的隔离度G：

该实施方式可以依据不同的测试需求调整发射换能器或接收水听器到系统筒体的相对距离，满足可调式声隔离度的测试需求，达到实时调整距离、获得动态隔离度数据的目的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种可调式声隔离度测试系统，其特征在于，包含发射子系统、接收子系统以及筒体(8)；

所述发射子系统包含发射换能器(2)，接收子系统包含第一水听器(5)与第二水听器(9)，所述筒体(8)上安装有障板(7)；

发射换能器(2)、第一水听器(5)分别位于障板(7)的两侧；发射换能器(2)与第二水听器(9)位于障板(7)的同一侧或不同侧；发射换能器(2)和/或第一水听器(5)能够相对筒体(8)发生位移。

2.根据权利要求1所述的可调式声隔离度测试系统，其特征在于，发射子系统还包含发射模块(1)；发射模块(1)将设定的发射电信号传输至发射换能器(2)后，发射换能器(2)将发射电信号进行电声转换并向水中发射声信号；

接收子系统还包含接收模块(4)；第一水听器(5)、第二水听器(9)接收到水中的声信号后，分将接收到的声信号转换成第一接收电信号、第二接收电信号并传输至接收模块(4)。

3.根据权利要求2所述的可调式声隔离度测试系统，其特征在于，所述发射模块(1)包含信号发生器(101)、功率放大器(102)、阻抗适配器(103)、取样器(104)以及第一示波器(105)；所述阻抗适配器(103)连接至发射换能器(2)；

所述接收模块(4)包含前置放大器(401)、滤波器(402)、信号采集器(403)以及第二示波器(404)；所述第一水听器(5)与第二水听器(9)均连接至前置放大器(401)。

4.根据权利要求3所述的可调式声隔离度测试系统，其特征在于，所述功率放大器(102)与阻抗适配器(103)一体成型或者单独布置；

所述发射换能器(2)的数量为一个或多个；当存在多个发射换能器(2)时，多个发射换能器(2)的频段相同或存在不同。

5.根据权利要求1所述的可调式声隔离度测试系统，其特征在于，所述发射换能器(2)通过设置的发射可调吊放装置(3)安装在筒体(8)上，第一水听器(5)通过设置的接收可调装置(6)安装在筒体(8)上。

6.根据权利要求5所述的可调式声隔离度测试系统，其特征在于，所述第一位移调节机构包含依次连接的水下电机、水下卷扬机、排缆导向机构；

发射换能器(2)通过设置的承重电缆连接至排缆导向机构上；或者，发射换能器(2)配设有非承重电缆，发射换能器(2)通过设置的吊放缆绳连接至排缆导向机构上；

水下电机配设有线控箱，线控箱通过有线控制装置或无线控制装置对水下电机的启闭进行控制。

7.根据权利要求5所述的可调式声隔离度测试系统，其特征在于，所述障板(7)安装在筒体(8)沿轴向的两端中靠近第一水听器(5)的一端；障板(7)包含反声材料层和/或吸声材料层；

第一水听器(5)、发射换能器(2)以及筒体(8)同轴布置，第二水听器(9)与发射换能器(2)布置在同一水平面上；

所述筒体(8)上设置有距离传感器。

8.根据权利要求5所述的可调式声隔离度测试系统，其特征在于，筒体(8)上还设置有配重块；

筒体(8)采用耐腐蚀材料制成并在表面进行防腐处理。

9.一种使用权利要求1至8中任一项所述的可调式声隔离度测试系统的声隔离度测试方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤S1：将第一水听器(5)、第二水听器(9)、发射换能器(2)、障板(7)以及筒体(8)吊放至水下；第一水听器(5)、发射换能器(2)安装或布放在障板(7)轴向的上侧、下侧，第一水听器(5)的声中心与发射换能器(2)的声中心之间的距离为d₂；

步骤S2：将第二水听器(9)单独布放在远离筒体(8)的空旷水域，第二水听器(9)的声中心与发射换能器(2)的声中心位于同一深度，两者水平距离为d₁；

步骤S3：启动发射模块(1)，激励发射换能器(2)向水中发射设定功率的声信号；

步骤S4：启动接收模块(4)，监测并记录第一水听器(5)的接收电压信号V_收，监测并记录第二水听器(9)的接收电压信号V_标。

步骤S5：按如下公式计算筒体(8)的隔离度G：

10.根据权利要求9所述的声隔离度测试方法，其特征在于，还包含以下步骤：

清洁步骤：将第一水听器(5)、第二水听器(9)、发射换能器(2)的表面用汽油或洗洁精擦拭干净后放入水下；

调整测量步骤：控制发射换能器(2)和/或第一水听器(5)相对筒体(8)进行位置调整，计算位置调整后的G。