CN110208778B - 一种基于对数可变窗函数的换能器宽带复数响应测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种基于对数可变窗函数的换能器宽带复数响应测量装置与方法，主要针对水声换能器及水听器的频率响应变化具有对数特性的现象，通过发射正交的对数chirp信号，建立校准系统转移函数对数坐标频率响应模型。通过对测量系统转移函数频率响应及移动平均窗函数的分析，针对不同中心频率的频率响应函数，计算相应的移动平均窗函数，以及更多的平均点数，得到更高的测量精度；而在高频段，发射换能器的频率响应相对于频率的变化不明显，此时传递函数不需要较高的分辨力和平均点数，这样可以在保证测量精度的同时，简化计算。利用发明建立的线性响应测量装置，能够实现换能器发射响应、水听器灵敏度的宽带测量。

Description

一种基于对数可变窗函数的换能器宽带复数响应测量装置与 方法

技术领域

发明涉及换能器水声参数测量的领域，具体涉及一种基于对数可变窗函数的换能器宽带复数响应测量装置与方法。

背景技术

随着水声技术的发展，水声计量对保障水声设备的性能指标以及正常使用都具有重要作用。目前水声换能器和水听器通常在有限水域或者开阔水域中进行自由场测量，为了避免在测量过程中受到有限水域边界、水面以及水下障碍物的影响，测量时通常采用脉冲声技术在时间和空间上对直达声和反射声信号进行分离，从而抑制反射声信号对直达声产生的影响。为了提高脉冲信号的质量，在有限水域中获得测量所需测量频率下较为理想的波形，减小或消除发射换能器的瞬态过程，降低脉冲声技术的低频限，有人研究了声脉冲抑制技术，该方法可以在提高声脉冲信号质量的同时，进一步降低了有限水域的低频测量下限。

随着换能器技术的发展，陆续有人提出了多路径平均、prony算法以及时间延迟谱法等信号处理办法，这些方法都在一定程度上突破了脉冲声技术的限制，可以实现有限水域的精确校准，并且能够进一步降低有限水域的低频测量下限。但是这些方法由于操作步骤繁琐，算法冗杂并且不具有普遍适用性，一直以来都未得到广泛的推广和使用，而目前使用较多的仍然是传统的声脉冲技术。

采用声脉冲技术测试换能器水声参数时，通常是发射单频脉冲，这导致了这种测量方法仅仅能够实现自由场水声参数的单频幅度测量，这是不能够反映出换能器实际的工作状态的。一方面原因是换能器的水声参数不仅仅包含其幅度特性，其相位参数也是换能器重要的指标，当前很多声纳系统都是利用相位开展定位以及空间估计，水听器相位一致性的优劣将直接影响水听器和换能器所组成阵列的性能；另一方面原因是换能器和水听器在实际应用中，通常需要工作在连续信号或噪声信号等宽带信号中，单一频率的测量已经不能够满足换能器或水听器的测试要求，因此需要测量换能器和水听器的宽带频率响应。目前，针对换能器和水听器自由场宽带复数性能测试的试验相对较少，主要原因是在消声水池等有限区域中，宽带信号的持续时间较长，信号会受到来自水池边界以及水面反射的影响，从而限制了自由场水声换能器宽带校准的发展。

在水声测量中，由于换能器和水听器的水声参数随频率具有对数变化的特性，通常采用“倍频程”作为计量两个频率之间间隔或频带宽度的单位。在低频时，由于测量频率较低，每倍频程对应的频带宽度较窄，那么换能器的频率特性在低频随频率变化较为明显；而在高频，由于测量频率较高，每倍频程所对应的频带宽度较宽，换能器的频率特性在高频随频率变化相对不明显，此时普通频率的线性变化是不能够适应换能器的宽带测试要求的。

发明内容

发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于对数可变窗函数的换能器宽带复数响应测量装置与方法。

发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种基于对数可变窗函数的换能器宽带复数响应测量装置，主要包括以下部件：发射对数chirp信号并且具有外部触发功能的信号源；双通道数据采集系统，其每个通道的最高采样率大于10倍测试频率，并且具有外部触发功能，双通道数据采集器相位偏差不超过2°；线性功率放大器，线性失真不大于2％；线性发射换能器；标准水听器；双通道前置放大器两台，双通道前置放大器通道之间的相位一致性偏差不超过2°；电流取样器，电流取样器的电流与电压偏差不超过2°；计算机。

信号源、功率放大器、换能器、前置放大器、标准水听器、电流取样器、阻抗匹配器、数据采集器设备与其他附属设备均为线性时不变的系统并且需要在有限水域但不限形状的消声及混响水池中进行测试。

这种基于对数可变窗函数的换能器宽带复数响应测量方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

1)用数据采集系统和水听器测量发射换能器或水声设备的发射延迟时间以及有限水域反射波回波时间；

2)发射换能器或水声设备发射测量所需要的彼此正交的对数chirp脉冲信号；

3)数据采集同步采集发射电流信号以及经过有限水域混响后的水听器接收信号；

4)根据发射延迟时间以及采集信号延迟时间对信号进行补零和截取，构造复数信号与发射换能器的复数响应曲线；

5)采用可变窗函数对复数响应曲线进行移动平均处理，得到换能器宽带复数响应。

所述使用的发射信号与接收信号需在时间上存在一一对应关系，需通过高频脉冲信号或者高频线性chirp信号对触发延时和系统延时进行测量，并对发射信号和接收信号进行截取或补零。

所述发射的正交的对数chirp信号的频率变化率满足f(t)＝f₀+β^t的对数变化规律，并且chirp信号的长度大于各个边界二次波反射所对应的时间，由于换能器的发射响应满足对数响应特性，即其特性满足倍频程响应特性，对数信号在低频窄带内具有较多的采样点数，经过平均后，更接近换能器的低频响应；而在高频，系统在窄带内的相应变化较小，此时对应平均的点数较少，同样能够满足测试需求，并且大大减少计算量。

所述步骤5)根据步骤3)中测量的反射时间计算可变窗的宽度fW。

所述步骤5)中需要根据当前中心频率、反射回波时间、一次反射回波时间、二次反射回波时间以及多次反射回波时间得到当前频率点所对应的窗函数宽度，并做平均处理；待当前频点处理完成后，将窗函数移动到下一个频点，再次计算窗宽度，完成平均处理，以此类推直到完成频率内所有频点的处理。

所述步骤5中需要对复数响应曲线进行多次移动平均处理。

发明所使用的信号类型为对数chirp信号，选择对数chirp信号的原因为发射换能器和水听器的特性响应随频率具有对数特性，如在低频段200Hz～400Hz相隔一个倍频程，在使用单频脉冲测量时，需要测量200Hz、250Hz、315Hz、400Hz四个频点的响应(通常按照1/3倍频程进行测量)，但是当频率为5200Hz～5400Hz时，这个频率间隔相对于倍频程就会很小，通常可以认为换能器在这两个点之间的频率响应一致。为了体现这种水声测量倍频程测量的特点，在低频时，使宽带测量具有较高的分辨力，而在高频时，可以适当降低分辨力，在保证测量精度的同时，减少计算量。

发明的有益效果为：发明采用了对数chirp信号作为发射和接收信号，通过构造复数转移函数对，建立校准系统转移函数频率响应模型，实现自由场换能器和水听器水声参数的宽带测量；通过对测量系统转移函数频率响应以及移动平均窗函数的分析，针对不同的中心频率的频率响应函数，计算不同的移动平均窗函数，在对数频域内实现换能器水声参数频率响应的移动平均，消除界面反射和噪声对测量产生的影响；根据移动平均的测量方法，建立相应的测量装置实现换能器发射响应、水听器灵敏度的测量；能够在全消声水池、半消声水池、混响水池以及湖、海试验场对换能器和水听器的水声参数进行校准，能够有效地抑制同性噪声、反射波、校准装置边缘反射和散射对测量产生的影响。

附图说明

图1为换能器宽带发射电流响应测量装置的结构框图。

图2为窗宽度即点数随测试频率的变化图。

图3为对数chirp信号下换能器频率响应移动平均过程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对发明做详细的介绍：

实施例1：如附图所示，这种基于对数可变窗函数的换能器宽带复数响应测量装置，主要包括以下部件：发射对数chirp信号并且具有外部触发功能的信号源；双通道数据采集系统，其每个通道的最高采样率大于10倍测试频率，并且具有外部触发功能，双通道数据采集器相位偏差不超过2°；线性功率放大器，线性失真不大于2％；线性发射换能器；标准水听器；双通道前置放大器两台，双通道前置放大器通道之间的相位一致性偏差不超过2°；电流取样器，电流取样器的电流与电压偏差不超过2°；计算机。

信号源、功率放大器、换能器、前置放大器、标准水听器、电流取样器、阻抗匹配器、数据采集器设备与其他附属设备均为线性时不变的系统并且需要在有限水域但不限形状的消声及混响水池中进行测试。

这种基于对数可变窗函数的换能器宽带复数响应测量方法，主要包括以下步骤：

1)用数据采集系统和水听器测量发射换能器或水声设备的发射延迟时间以及有限水域反射波回波时间；

2)发射换能器或水声设备发射测量所需要的彼此正交的对数chirp脉冲信号；

3)数据采集同步采集发射电流信号以及经过有限水域混响后的水听器接收信号；

4)根据发射延迟时间以及采集信号延迟时间对信号进行补零和截取，构造复数信号与发射换能器的复数响应曲线；

5)采用可变窗函数对复数响应曲线进行移动平均处理，得到换能器宽带复数响应。

所述使用的发射信号与接收信号需在时间上存在一一对应关系，由于有限水域存在混响，水听器接收信号与发射信号会在时域上存在延时，这里需通过高频脉冲信号或者高频线性chirp信号对触发延时和系统延时进行测量，并对发射信号和接收信号进行截取或补零。

所述发射的正交的对数chirp信号的频率变化率应满足f(t)＝f₀+β^t的对数变化规律，并且chirp信号的长度应大于各个边界二次波反射所对应的时间，由于换能器的发射响应满足对数响应特性，即其特性满足倍频程响应特性。对数信号在低频窄带内具有较多的采样点数，经过平均后，更接近换能器的低频响应；而在高频，系统在窄带内的相应变化较小，此时对应平均的点数较少，同样能够满足测试需求，并且大大减少计算量。

所述步骤5)根据步骤3)中测量的反射时间计算可变窗的宽度fW。

所述步骤5)中需要根据当前中心频率、反射回波时间、一次反射回波时间、二次反射回波时间以及多次反射回波时间得到当前频率点所对应的窗函数宽度，并做平均处理；待当前频点处理完成后，将窗函数移动到下一个频点，再次计算窗宽度，完成平均处理，以此类推直到完成频率内所有频点的处理。

所述步骤5)中需要对复数响应曲线进行多次移动平均处理。

发明中线性换能器发射响应宽带复数响应测量具体包含以下步骤：

1)为了保障发射信号与接收信号的一致性，需要首先测量数字采集系统的触发延迟时间t₀以及水听器采集信号的延迟时间t₁。

2)计算机控制信号源分别发射相互正交的对数chirp信号，该对数chirp信号通过线性功率放大器激励发射换能器在水下产生声信号。同时，通过外触发的形式触发数据采集系统完成发射电流信号I(t)和水听器开路电压信号V(t)的采集，并将这两组信号在时域内构成复数信号，该信号的响应随时间变化。该信号虽然为时域信号，但是由于该信号为对数chirp信号，其频率响应与时间存在对应关系，对应关系可以表示为：

f(t)＝f₀·β^t

式中，

由于复数电流信号I(t)和电压信号V(t)在时域上存在移动的延时，因此在变换到频率响应时，需要对其进行时间延迟修正，即：

I(t′)＝I(t-t₀)

V(t′)＝V(t-t₁-t₀)

经过计算可以得到自由场条件下发射换能器与被测水听器之间的转移阻抗的复数频率响应为：

式中，

为系统转移阻抗复数响应函数，

为复数开路电压函数，

为复数电流信号函数，频率和时间满足函数f′(t′)＝f₀+β^t′；

3)由于在有限水域中发射chirp信号时，通常需要chirp信号的脉冲时间较长，声信号在有限水域中会出现混响现象，需要消除混响对测量产生的影响。这里利用FIR窗函数，在时域中对复数转移阻抗进行平均处理，窗函数的响应可以表示为：

这里α＝Δr/c是关于反射波延迟的函数，对于chirp信号该窗函数可以经过在时域的移动平均将消除水池混响会测量产生的影响；h(f)为FIR数字滤波器窗函数的响应，这里包括矩形窗、汉宁窗、哈明窗等一系列衍生窗函数；Δf为移动平均窗的宽度。

在移动平均中需要对数字信号进行处理，那么这里首先对信号进行离散化，离散化后窗函数变为：

上式为窗函数离散化后的响应，同样将混响状态下的转移函数Z(f)进行离散化，并表示成传递函数和自由场转移函数乘积的形式。那么经过移动平均后，可以表示为：

上式中，Z(n)为直达声和反射声作用下系统的转移阻抗离散化后的频率响应，Z’(n)为无反射作用下系统的转移阻抗离散化后的频率响应，ξ(n)为有限水域反射波，经过移动平均后，通常ξ(n)≈0，此时认为有限水域反射波被有效地抑制了，从而得到了有限水域自由场条件下的转移阻抗Z(n)，这样就可以抑制水池混响、同性噪声等对测量产生的影响，得到发射换能器和水听器的宽带响应。

4)当受到有限水域边界反射混响影响较大时，通常一次移动平均不能够有效抑制反射波的影响，也可以进行多次移动平均。

5)前面是假设系统的转移阻抗是不随频率变化的，但是通常在实际情况下，转移阻抗是随频率的变化而变化的，并且考虑到分辨力以及实际应用情况的影响。在处理时，需要将模拟信号进行数字离散化处理，此时窗函数对应的宽度可以用相应的点数n来表示。由于在发射过程中所使用的信号为对数chirp信号，对应每一个频点的频率响应，其对应的窗函数所对应的点数是不同的，即在频率较低时，窗内的点数较多，对应的窗函数中的点数较多，对应此时频率响应的分辨力较高；而在频率较高时，发射系统频率变化不明显，此时对应的窗函数中的点数较少，对应的分辨力较低。虽然在频率较高时，对应的分辨力较低，但是此时换能器所对应的倍频程宽度较宽，这样的分辨力依旧能够满足测试要求，并且加快计算速度，如附图2所示。

由于测量过程中，信号源发射对数chirp信号，得到的转移阻抗曲线也为对数响应曲线，在移动平均时，窗函数的宽度若取Δf，就可以在时域内对发射换能器的响应进行移动平均。此时信号的采样率为f_s，对数chirp信号的的扫频率为β，起始频率为f₀，chirp信号脉冲持续时间为t，此时对应的点数为n＝f_s×t，则任意一点所对应的频率f可以表示为：

f＝f₀·β^n/fs

任意一点n对应的移动平均窗的下限点和上限点以及相应宽度可以表示为：

Δn＝n₁-n_h

此时，在该点所对应的移动平均后的转移阻抗可以表示为：

此时，不同的频率对应不同的窗函数，如附图3所示。在频率较低时，由于扫频率较低，频率变化较慢，窗函数对应的点数较多，窗函数较宽；但是随着频率的升高，扫频率变大，窗函数就随之变小。

实施例2：

下面结合换能器宽带发射电流响应测量对发明的具体实施方式进行详细阐述：

该测量装置如图1所示，装置由信号发射器、线性功率放大器、被测发射换能器、电流电压取样器、标准水听器、前置放大器、PXI数据采集器和控制系统构成。整个测量在50m×15m×10m的全消声水池中进行。

系统中仪器仪表的要求如下：

信号源为可以发射对数chirp信号，发射信号的频率精度不低于0.01％；线性功率放大器要与发射换能器具有良好的匹配，在工作频段内具有良好的线性特性；发射换能器工作在线性频率范围内，不能够出现空化和非线性等状态；电流电压取样器输出的取样信号与输入信号具有良好的相位一致性与恒定电流电压比；前置放大器能够对采集到的信号进行阻抗匹配和信号放大，并且具有相位一致性；数据采集器具有双通道和外触发，采样率高于最高测量频率的10倍以上。

测量步骤如下：

1)如附图1所示，信号源控制被测发射换能器发射线性chirp信号或高频单频脉冲信号，通过对数chirp信号卷积或者单频脉冲信号完成电流延时时间、发射换能器发射声波到水听器接收之间延时时间及直达声与反射声的时间的测量；

2)通过PXI控制器控制信号发射器发射相互正交的对数chirp信号，同步采集发射电流信号和标准水听器接收到的声信号；

3)由前面得到的电流延时时间以及发射换能器发射电流与水听器开路电压的延时时间可以对两组信号进行时间的对齐，保证电流响应与电压响应存在一一对应的关系。同时，在时域内完成复数化，得到对数chirp信号的复数电流响应和复数电压响应；

4)为了能够抑制由有限水域边界反射对测量产生的影响，需要在对数时域坐标中实现移动平均，这里采用矩形窗函数作为本范例的移动平均窗，为了能够抑制有限水域边界和水面反射波对直达声产生的影响，这里采用多次平均的方法，分别抑制来自有限水域边界和校准支架的反射影响。有限水域6个平面反射波对应的时间分别为Δτ₁，Δτ₂，……Δτ_n，此时分别对应n个窗的宽度，对相应的窗函数以及转移阻抗分别进行离散化，在利用实施例1中所示的方法经过移动平均之后，即可得到对应的复数转移阻抗；根据下式完成在整个频带内发射换能器发射响应的测量：

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对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发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于对数可变窗函数的换能器宽带复数响应测量方法，其特征在于：采用的装置包括以下部件：发射对数chirp信号并且具有外部触发功能的信号源；双通道数据采集系统，其每个通道的最高采样率大于10倍测试频率，并且具有外部触发功能，双通道数据采集器相位偏差不超过2°；线性功率放大器，线性失真不大于2％；线性发射换能器；标准水听器；双通道前置放大器两台，双通道前置放大器通道之间的相位一致性偏差不超过2°；电流取样器，电流取样器的电流与电压偏差不超过2°；信号源、功率放大器、换能器、前置放大器、标准水听器、电流取样器、阻抗匹配器、数据采集器设备与其他附属设备均为线性时不变的系统并且需要在有限水域但不限形状的消声及混响水池中进行测试；该方法包括以下步骤：

1)用数据采集系统和水听器测量发射换能器或水声设备的发射延迟时间以及有限水域反射波回波时间；

2)发射换能器或水声设备发射测量所需要的彼此正交的对数chirp脉冲信号；

3)数据采集同步采集发射电流信号以及经过有限水域混响后的水听器接收信号；

4)根据发射延迟时间以及采集信号延迟时间对信号进行补零和截取，构造复数信号与发射换能器的复数响应曲线；

5)采用可变窗函数对复数响应曲线进行移动平均处理，得到换能器宽带复数响应；根据步骤3)中测量的反射时间计算可变窗的宽度fW，根据当前中心频率、反射回波时间、一次反射回波时间、二次反射回波时间以及多次反射回波时间得到当前频率点所对应的窗函数宽度，并做平均处理；待当前频点处理完成后，将窗函数移动到下一个频点，再次计算窗宽度，完成平均处理，以此类推直到完成频率内所有频点的处理。

2.根据权利要求1所述的基于对数可变窗函数的换能器宽带复数响应测量方法，其特征在于：所述使用的发射信号与接收信号需在时间上存在一一对应关系，需通过高频脉冲信号或高频线性chirp信号对触发延时和系统延时进行测量，并对发射信号和接收信号进行截取与补零。

3.根据权利要求1所述的基于对数可变窗函数的换能器宽带复数响应测量方法，其特征在于：所述发射的正交的对数chirp信号的频率变化率满足f(t)＝f₀+β^t的对数变化规律，并且chirp信号的长度大于各个边界二次波反射所对应的时间，换能器的发射响应满足对数响应特性，即其特性满足倍频程响应特性。

4.根据权利要求1所述的基于对数可变窗函数的换能器宽带复数响应测量方法，其特征在于：所述步骤5)中需要对复数响应曲线进行多次移动平均处理。

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