CN110160622B - 一种行波管水听器灵敏度一致性在线校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行波管水听器灵敏度一致性在线校准方法，当行波管中只有水介质时，即样品是水柱，先假设一对标准水听器的灵敏度已经离线校准，利用这一对标准水听器，采用主动消声迭代算法建立行波声场；此时，理论上样品的声压反射系数为0、透射系数为1，从主发射器表面到次发射器表面水介质中形成单向平面行波；校准管中其它水听器之间的灵敏度幅值和相位。本发明的有益效果为：解决离线校准无法满足测量频率范围内、变温、变压条件下的校准问题，极大地提高了50Hz～1000Hz水声材料声振特性参数行波管校准装置对样品声压反射系数、透射系数和去耦系数等声参数在变温、变压条件下的测量精度。

Description

一种行波管水听器灵敏度一致性在线校准方法

技术领域

本发明涉及计量测试领域，具体属于声学(水声)领域，主要是一种行波管水听器灵敏度一致性在线校准方法。

背景技术

为了解决声障板、消声瓦和隔声瓦等水声材料声参数的测量以及对测量装置的校准问题，我所建立耐高静水压下100Hz～4kHz行波管校准装置，能够对Φ206mm试样进行测量和评估，测量参数为样品前后界面均为水介质时的声压反射系数、声压透射系数和吸声系数。由于该装置具有比脉冲声管更低的测量频率，比驻波管测量更多的声学参数而得到很好的推广，715所已经为中船重工第725所、船舶系统工程研究院和中科院声学所研制了同类的水声材料行波管测量装置。目前，我所正在开展“50Hz～1000Hz水声材料声振特性参数行波管校准装置”研究工作，能够测量各类水声材料样品的低频声学性能参数，在声障板、消声瓦和隔声瓦装备潜艇之前对出厂产品进行检验，保证军品质量，所以该项目对于我国潜艇声纳和声隐身技术的发展和军品项目具有十分重要的意义。

一套水声材料声振特性参数行波管校准装置包括行波管管体、一对发射换能器和一组水听器、电子测量仪器和测量软件、以及配套的变温变压和机械控制系统。水听器采用嵌入式的方法安装在行波管的管壁上，安装结构穿过管壁，敏感元件到达行波管的声轴线上。行波管垂直放置，由上段和下段组成，中间放置被测样品。每一段声管管壁上嵌入了4～5个水听器，用于采集管内的声场，反馈给声学测量系统，建立管内行波声场，测量样品的反射和透射声压。所以，每个水听器的灵敏度及其水听器组的一致性对于管内行波场的建立和样品的测量精度产生直接的影响。在水听器研制完成，安装之前，必须对它们进行严格的校准和挑选，尽量选择灵敏度高，相位幅值一致性好的水听器组。要求的校准频率范围为50Hz～1kHz，静水压力范围为0.1MPa～10MPa。然而现有的水听器校准装置在上述压力和频段下难以完成对行波管水听器灵敏度的校准。

目前关于水听器灵敏度的测量，常用的方法主要有三大类：互易法、物理参数法和比较法。互易法主要有自由场互易法、耦合腔互易法和行波管互易法。

自由场互易法和比较法是在自由场条件下实施检定的方法，适用的频率大约为0.5kHz～1MHz。由于在自由场中条件下测量对消声水池的自由场尺寸要求很高，在大型低频消声水池(50m×15m×10m)中的最低校准频率为0.5kHz，在开放式水池中不能实现静水压下测量，在高压消声水罐中，由于高压罐的体积的限制，校准频率必须在3kHz以上。

耦合腔互易法互易法是在密闭小空间内检定低频标准水听器的方法，适合于在高静水压和变温条件下使用，适合频率范围前者约为20Hz～3kHz。然而在密闭小容器中的测量由于测量容器容积有限的原因，被测量对象的体积不能过大，行波管水听器不能被安装在密闭腔内。

物理参数法则包括振动液注法、压电补偿法和静水压激励法。这类方法只适用于远离水听器谐振频率的低频段，但是上述校准设备也只适合小尺寸的水听器校准，也难以实现变温变压条件下的校准。因为行波管用水听器带有安装结构，在使用振动液注法校准时，由于结构的声散射，测量不确定度是比较大的。

由于上述原因，目前的行波管水听器组在安装之前仅进行了常压下自由场法和振动液柱法的灵敏度校准和一致性校准。在安装到行波管后就没有采取水听器的在线校准，后续也很难拆卸下来进行校准，重新安装的过程也会对水听器本身产生影响。当水听器老化，或温度、压力变化，导致水听器灵敏度变化时，测试数据将与实际值产生较大偏差。在进行水声材料特性行波法测试中这种偏差就会导致测得的反射系数、透射系数和吸声系数出现偏差。

国外仅有俄罗斯安德列夫声学研究所和美国USRD建立了水声材料声学特性参数测量系统，目前的测量精度和我所早期建立的100Hz～4kHz水声材料样品声学性能参数校准装置处于相当的水平，原因之一是其中的管中水听器组没有进行在线校准，仅仅考虑了水听器组灵敏度不一致性引入的测量不确定度。

在“50Hz～1000Hz水声材料声振特性参数行波管校准装置”研究过程中，为了解决这个问题，我们提出了一种低频行波管水听器在线校准技术，是对已经安装入系统的水听器进行同时原地校准。来避免水听器频繁拆卸且无法进行即时校准的问题，还可以使校准环境在静水压0.1MPa～10MPa以及温度在5℃～40℃的范围内变化。也可以避免水听器在单独拆卸时造成的误差，确保了校准结果的准确性与可靠性，从而保证水声材料样品声学特性参数行波管测试/校准的更加准确可靠。本发明未见文献报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种行波管水听器灵敏度一致性在线校准方法，能实现对嵌入安装在行波管内的水听器组进行灵敏度一致性校准，在管中行波场建立过程中补偿由于水听器本身灵敏度差异和安装、水温、水压等引入的一致性影响，建立理想的行波场。

将本发明应用到水声材料声振特性参数行波管校准装置，可以大大提高样品声振参数的测量精度，是一种全新的水听器校准方法和应用。该方法未见国内外期刊文献的报道。该方法相比于传统的离线测量方法，解决了在线现场校准和应用环境条件下校准困难的的问题，提高了校准精度，该发明未见文献报道。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种行波管水听器灵敏度一致性在线校准方法，当行波管中只有水介质时，即样品是水柱，先假设一对标准水听器的灵敏度已经离线校准，利用这一对标准水听器，采用主动消声迭代算法建立行波声场；此时，理论上样品的声压反射系数为0、透射系数为1，从主发射换能器表面到次发射换能器表面水介质中形成单向平面行波；再利用单向平面行波场的声压幅值和相位规律，校准管中其它水听器之间的灵敏度幅值和相位，从而管中的所有水听器灵敏度相幅一致性得到校准。

更进一步的，校准信号为正弦连续信号，通过在一定的水温、静水压条件下频率点逐次校准，从而实现整个行波管测量频段、工作水温和静水压范围内行波管水听器的在线校准。

更进一步的，具体步骤如下：

1)通过传统的水听器校准方法，对待装水听器在常压下进行校准；

2)根据上述校准数据，挑选一致性最好的两只水听器组成一对，作为在线校准时的参考水听器；

3)将水听器安装到行波管上，依次进行编号；

4)行波管注入纯净水，抽真空，加一定的静水压以消除气泡；

5)根据需要，将行波管水温和静水压力控制到一定值，待稳定后进行水听器灵敏度的在线校准；

6)选定步骤2)的参考水听器采集声场声压，采用主动消声迭代法在行波管中建立行波场，根据公式(1)和(2)测量水层样品的反射系数和透射系数，并和理论值比较；

应用双水听器的传递函数，样品反射系数和透射系数由下面两式测量得到：

其中，M₂₁＝(M₂/M₁)^-1，M₅₁＝(M₅/M₁)^-1，M₆₁＝(M₆/M₁)^-1，h₂₁＝U₂/U₁，h₅₁＝U₅/U₁，h₆₁＝h₅₁/h₅₆＝h₅₁·(U₆/U₅)；U_n为n号水听器通道输出的电压；h_mn为m水听器通道和n水听器通道输出的传递函数，M_mn为M_m/M_n值，M_mn为m、n号水听器相对灵敏度的倒数，M_m为m号水听器的灵敏度；M_n为n号水听器的灵敏度；k为管中声波波数；l_mn为组成阵列的m号水听器和n号水听器之间的距离；

7)随机选定水听器对，重复步骤6)，比较测量水层的结果，如有更佳的配对水听器，可替代步骤2)选出的水听器对作为参考水听器；

8)根据公式(5)校准其余水听器的灵敏度，并进行验证校准结果；

在声管行波场中，有：P₁＝P₂＝……＝P_N，则其余水听器的灵敏度可以表示为：

由(5)式可校准行波管水听器的在线灵敏度；

9)根据需要调节行波管水温和静水压，重复步骤6)～8)，直至全部环境条件下的校准结束；

10)释放静水压至常压。

本发明的有益效果为：无需依赖于传统的水听器灵敏度一致性校准，如自由场比较校准和振动液柱法校准；解决离线校准无法满足测量频率范围内、变温、变压条件下的校准问题，解决了水听器安装在行波管上以后结构和声场等现场在线因素对灵敏度一致性的影响，极大地提高了50Hz～1000Hz水声材料声振特性参数行波管校准装置对样品声压反射系数、透射系数和去耦系数等声参数在变温、变压条件下的测量精度。

附图说明

附图1：行波管校准装置框图。行波管垂直安放，内部充满蒸馏水；主发射换能器和次发射换能器位于行波管两端，被测样品位于中央；水听器组嵌入式安装于声管壁上；还包括电子仪器和变温、变压、机械辅助设备。

附图2：行波管测量原理图。样品底面为x＝0处，分别给出了每个水听器的位置坐标、离次发射换能器的距离、水听器间距和水听器和样品的距离。

附图标记说明：主发射换能器1，次发射换能器2，样品3，水听器4，行波管5。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明所要解决的技术问题包括：

1)建立50Hz～1000Hz水声材料声振特性参数行波管校准装置，实现水声材料构件声压反射系数、透射系数和去耦系数在变温、变压条件下的测量。

2)建立行波场的理想程度和上述1)测量的精度和行波管水听器组灵敏度一致性密切相关，本发明解决了行波管水听器组灵敏度一致性离线校准不准的问题，通过在线校准，大大提高了测量精度。水声材料声振特性参数行波管校准装置的水听器经过在线校准以后，在测量水声材料声振参数时能够建立起更加理想的管中行波声场，减少由于声场起伏扰动、水听器组灵敏度相幅不一致引起的测量误差，使样品声振特性参数的测量更加精准。

本发明所述的一种行波管水听器灵敏度一致性在线校准方法实现方式如下：

建立50Hz～1000Hz水声材料声振特性参数行波管校准装置，实现水声材料构件声压反射系数、透射系数和去耦系数在变温、变压条件下的测量。

附图1为本实现方式的测量装置，可分以下四个部分：

(1)行波管5。行波管，内径Φ300mm/外径600mm﹑长5m，由长度2.5m的两段组成，通过机械控制进行开合密封。管子内部充纯净水，样品3安装于行波管管中央。主发射换能器1和次发射换能器2分别安装于行波管两端，发射器内部采用去耦设计。水听器4安装在管壁上，敏感元件伸入行波管中央。

(2)辅助设备。行波管配置了变温系统、变压系统、液压机械机构等辅助机构，由集中控制单元控制。

(3)电子测量仪器。双通道任意信号发生器为测量信号源。两路功率放大器驱动主发射换能器和辅助发射器。多通道滤波器和前置放大器，对应声管中每路水听器，对水听器输出的弱电信号进行调理。多路信号采集分析仪，对多路水听器接收信号进行同步采集处理。计算机和外设用来安装测量软件，进行电子仪器控制和声学计算、测量结果输出。

(4)校准软件。用于电子测量仪器控制，声信号采集和分析，声学计算，结果输出。

行波管在进行校准工作时，首先必须在管中建立稳定的平面波行波声场。由主动消声实现行波管末端的无反射，从而达到建立管中的行波声场，然后进行水声材料的测量，如图2所示，给出了管中坐标和水听器、样品、发射器的位置。校准时主发射器在声管下部端口处发射正弦长脉冲串声波，垂直入射到样品表面，设声压为p_in，一部分声能被反射回来,声压为p_re，一部分透射到声管上部，声压为p_tr。通过主动消声迭代算法，不断地调节主次发射换能器发射信号的幅度比和相位差，直到声管上部形成行波场为止，即透射声波单向传播。在理想状态下，当行波场形成时次发射换能器表面的声压反射系数r为零，即次发射换能器起到了主动消声器的作用，这时入射到次换能器表面的声波正好和次换能器的发射声波幅度相等、相位相反。透射行波场形成后，在声管的下半部分只是由入射声波和样品的反射波形成的驻波场。

应用双水听器的传递函数，样品反射系数和透射系数由下面两式测量得到：

其中，M₂₁＝(M₂/M₁)^-1，M₅₁＝(M₅/M₁)^-1，M₆₁＝(M₆/M₁)^-1，h₂₁＝U₂/U₁，h₅₁＝U₅/U₁，h₆₁＝h₅₁/h₅₆＝h₅₁·(U₆/U₅)。U_n为n号水听器通道输出的电压；h_mn为m水听器通道和n水听器通道输出的传递函数，M_mn为M_m/M_n值，M_mn为m、n号水听器相对灵敏度的倒数，M_m为m号水听器的灵敏度；M_n为n号水听器的灵敏度；k为管中声波波数；l_mn为组成阵列的m号水听器和n号水听器之间的距离。

由上可见，水声材料样品声学特性参数的计算和行波管水听器的相对灵敏度和传递函数密切相关。

附图2为本实现方式的测量模型，行波管中只有水介质，即样品是水柱。假设水听器1、2的灵敏度已知为M₁、M₂，将两个灵敏度已知的水听器放入声管中，首先利用这一对水听器，采用消声迭代算法建立了行波声场，则声场与水听器1、2的输出电压U₁、U₂的关系如式(3)所示：

其中P₁、P₂分别表示声管中1和2位置的声压，x_n(n＝1,2,…,N)表示第n个水听器在声管中的位置，N为水听器的总数，k为波数。则声管中其余水听器处的声压可以表示为：

在声管行波场中，有：P₁＝P₂＝……＝P_N，则其余水听器的灵敏度可以表示为：

由(5)式可校准行波管水听器的在线灵敏度。

最后，可以通过(1)式和(2)式测量水层样品的反射系数和透射系数进行验证，理论上反射系数为0，透射系数为1。

本发明为一种行波管水听器灵敏度一致性在线校准方法。校准工作建议在附图1所示的满足行波场条件的行波管中进行。

本发明所述的校准信号为正弦连续波信号，通过逐次校准，可以校准整个测量频段的水听器组灵敏度一致性。

本发明行波管水听器灵敏度一致性校准方法具体实施方式如下：

1)通过传统的水听器校准方法，如振动液柱法，对待装水听器在常压下进行校准，出具校准证书。

2)根据上述校准数据，挑选一致性最好的两只水听器组成一对，可作为在线校准时的参考水听器。

3)将水听器安装到行波管上，依次进行编号；

4)行波管注入纯净水，抽真空，加一定的静水压以消除气泡；

5)根据需要，将行波管水温和静水压力控制到一定值，待稳定后可以进行水听器灵敏度的在线校准；

6)选定步骤2)的参考水听器采集声场声压，采用主动消声迭代法在行波管中建立行波场，根据公式(1)和(2)测量水层样品的反射系数和透射系数，并和理论值比较；

7)随机选定水听器对，重复步骤6)，比较测量水层的结果，如有更佳的配对水听器，可替代步骤2)选出的水听器对作为参考水听器；

8)根据公式(5)校准其余水听器的灵敏度，并进行验证校准结果；

9)根据需要调节行波管水温和静水压，重复步骤6)～8)，直至全部环境条件下的校准结束。

10)释放静水压至常压。

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)

1.一种行波管水听器灵敏度一致性在线校准方法，其特征在于：当行波管中只有水介质时，即样品是水柱，先假设一对标准水听器的灵敏度已经离线校准，利用这一对标准水听器，采用主动消声迭代算法建立行波声场；此时，样品的声压反射系数为0、透射系数为1，从主发射换能器表面到次发射换能器表面水介质中形成单向平面行波；再利用单向平面行波场的声压幅值和相位规律，校准管中其它水听器之间的灵敏度幅值和相位，从而行波管中的所有水听器灵敏度相幅一致性得到校准；

具体步骤如下：

1)通过传统的水听器校准方法，对待装水听器在常压下进行校准；

2)根据上述校准数据，挑选一致性最好的两只水听器组成一对，作为在线校准时的参考水听器；

3)将水听器安装到行波管上，依次进行编号；

4)行波管注入纯净水，抽真空，加一定的静水压以消除气泡；

5)根据需要，将行波管水温和静水压力控制到一定值，待稳定后进行水听器灵敏度的在线校准；

6)选定步骤2)的参考水听器采集声场声压，采用主动消声迭代法在行波管中建立行波场，根据公式(1)和(2)测量水层样品的反射系数和透射系数，并和理论值比较；

应用双水听器的传递函数，样品反射系数和透射系数由下面两式测量得到：

其中，M₂₁＝(M₂/M₁)^-1，M₅₁＝(M₅/M₁)^-1，M₆₁＝(M₆/M₁)^-1，h₂₁＝U₂/U₁，h₅₁＝U₅/U₁，h₆₁＝h₅₁/h₅₆＝h₅₁·(U₆/U₅)；U_n为n号水听器通道输出的电压；h_mn为m水听器通道和n水听器通道输出的传递函数，M_mn为M_m/M_n值，M_mn为m、n号水听器相对灵敏度的倒数，M_m为m号水听器的灵敏度；M_n为n号水听器的灵敏度；k为管中声波波数；l_mn为组成阵列的m号水听器和n号水听器之间的距离；

7)随机选定水听器对，重复步骤6)，比较测量水层的结果，如有更佳的配对水听器，可替代步骤2)选出的水听器对作为参考水听器；

8)根据公式(5)校准其余水听器的灵敏度，并进行验证校准结果；

在声管行波场中，有：P₁＝P₂＝……＝P_N，则其余水听器的灵敏度表示为：

由(5)式可校准行波管水听器的在线灵敏度；

9)根据需要调节行波管水温和静水压，重复步骤6)～8)，直至全部环境条件下的校准结束；

10)释放静水压至常压。

2.根据权利要求1所述的行波管水听器灵敏度一致性在线校准方法，其特征在于：校准信号为正弦连续信号，通过在一定的水温、静水压条件下频率点逐次校准，从而实现整个行波管测量频段、工作水温和静水压范围内行波管水听器的在线校准。

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