CN111207820A - 一种在混响水池中校准浮标水听器阵列阵元的方法 - Google Patents

一种在混响水池中校准浮标水听器阵列阵元的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种在混响水池中校准浮标水听器阵列阵元的方法。(1)混响水池的选择与浮标水听器阵列布置；(2)将辅助标准发射换能器和水听器布放在混响水池中；(3)采用声源扫描移动与输出电压同步采集的方式测量电声参数；(4)采用自功率谱时间平均的方法计算浮标水听器阵列阵元的接收电压灵敏度。本发明方法主要应用于混响水池精确测量浮标水听器阵列接收电压灵敏度的幅度，实现浮标水听器阵组装后的整体校准。

Description

一种在混响水池中校准浮标水听器阵列阵元的方法
技术领域
本发明涉及的是一种水听器阵校准的校准方法，具体地说是一种在混响水池中基于声源扫描移动方式校准浮标水听器阵列阵元的方法。
背景技术
浮标水听器阵列是水声工程中的重要测量设备，在海洋环境观测、结构辐射噪声评价等测量方面有着重要的应用，其性能关系到测量应用中的可靠性和准确性。因此，浮标水听器阵列在出厂前的校准工作显得尤为重要。
对于标量水听器，其灵敏度是产品的重要指标，一般来说最为关心的是幅值灵敏度。目前，常见的水听器校准是自由场校准方法，国际电工委员会在上世纪70年代出台IEC标准565号“水听器校准”。我国也据此制定了GB3223-96“水声换能器自由场校准方法”，规范了互易法和比较法在自由场球面波条件下的校准标准。将这两种方法应用到不同的测试环境中，又分为：耦合腔法、振动液柱法等等。另外近年来还出现了一些运用光学手段开展的校准方法。
目前浮标水听器阵列阵元的校准都是在组装前采用自由场校准方法，例如前述的几种方法。而在阵元组装成阵后的阵列整体校准却很少进行，主要是因为阵列体积庞大，一般都在数十米以上，很难找到适用的大型消声水池。混响水池法使得校准浮标水听器阵列成为可能，与本发明相近的是结合空间平均技术的水听器的混响场互易法或混响场比较法。混响场互易法最早由H.G.Diestel在空气声学中提出，南京大学吴文虬将该方法引入水声测量领域，但由于水声扩散条件难以满足，造成结果误差较大。哈尔滨工程大学孙俊东利用声源或水听器的空间平均技术实现了基于混响法的水听器混响场互易法(一种利用混响水池进行水声换能器互易校准的方法：中国，CN106501795A)和比较法校准(一种利用混响水池进行水听器批量校准的方法：中国，CN109324320A)，已取得显著成果，发表多篇论文和专利。这种方法利用空间平均技术校准的是小尺度水听器及其阵列。
发明内容
本发明的目的在于提供一种校准准确度高、可重复性好、操作简便的在混响水池中校准浮标水听器阵列阵元的方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)根据浮标水听器阵列的长度，以直线形式将浮标水听器阵列布放于混响水池中，浮标水听器稳定的悬浮于混响水池中，浮标水听器阵列边缘至混响水池壁面的距离大于1m；
(2)将一个标准发射换能器和一个标准水听器置于混响水池中，标准发射器和浮标水听器阵列两者之间的距离不少于2倍的混响半径，标准水听器置于浮标水听器阵列占据体积空间中；
(3)标准发射换能器做匀速扫描移动，在扫描移动的过程中，标准发射换能器稳定地辐射宽带白噪声信号，测量标准水听器输出电压以及浮标水听器阵列每个阵元的输出电压；
(4)对标准水听器、浮标水听器阵列每个阵元分别做输出电信号自功率谱计算，做自功率谱在测量时长内的平均，
浮标水听器阵列阵元电压灵敏度计算公式为：
Figure BDA0002361232000000021
式中，<ei>为浮标水听器第i个阵元输出电压自功率谱时间平均值，<es>为标准水听器输出电压自功率谱时间平均值，Ms为标准水听器接收电压灵敏度，Mi为浮标水听器第i个阵元接收电压灵敏度。
本发明还可以包括：
1.所述的混响水池得宽度至少是浮标水听器阵列长度的1.5倍，校准所需混响水池的容积与浮标水听器阵列体积比不少于8:1。
2.所述的匀速扫描移动的扫描速度不超过0.1m/s；扫描轨迹为：直线往复或者螺旋形，保持扫描过程中与浮标水听器阵列的间距大于2倍混响半径，扫描轨迹长度大于混响水池宽度的1/2。
3.测量时长不少于90s。
4.标准发射换能器不得与水面或者水底接触。
本发明提供了一种浮标水听器阵整体校准方案，主要应用于混响水池精确测量浮标水听器阵列接收电压灵敏度的幅度。
本发明对混响水池扩散性无特殊要求，只是本发明中阵列边缘距离池壁的距离大于1m，水池宽度为阵列长度的1.5倍；针对浮标水听器阵列体积大，需选择大体积混响水池用于校准，方法要求浮标水听器阵列体积在混响水池中占比不超过1/8；针对浮标水听器阵列移动不便，方法采用声源扫描移动的方式，方法要求采用扫描移动和输出电压采集同步进行的方法进行；针对混响水池中声源数目少，仅采用一个声源的移动的扫描时间不少于90s，扫描路径为直线往复或螺旋形，移动范围超过水池线度的1/2。
本发明益处在于：(1)实现浮标水听器阵列阵元电压灵敏度的整体校准；(2)本发明方法在满足要求的测量频率范围内，校准准确度高、可重复性好、操作简便。
本方法优势在于测量的最低频率远远低于相同尺度水箱下的自由场校准方法，也低于混响校准法，极大地拓展了水箱的低频校准下限。
本方法是用于浮标等大型水听器阵列阵元接收电压灵敏度校准的有效方法，校准不确定度小于1dB，是一种有效解决浮标等大型水听器阵列组装成阵后的校准方案。
附图说明
图1本发明的流程图。
图2本发明方法校准设备布置示意图。
图3本发明方法校准设备布置俯视图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
具体实施方式一：
(1)混响水池尺度选择。混响水池宽度至少是浮标水听器阵列长度的1.5倍，校准所需混响水池的容积与浮标水听器阵列体积比不少于8:1。
(2)浮标水听器阵列的布置。根据浮标水听器阵列的长度，以直线形式布放于混响水池中，浮标水听器稳定的悬浮于混响水池中，浮标水听器阵列边缘至混响水池壁面的距离大于1m。
(3)标准发射换能器和标准水听器的布置。将一个标准发射换能器和一个标准水听器置于混响水池中。标准发射器和浮标水听器阵列两者之间的距离不少于2倍的混响半径；标准水听器置于浮标水听器阵列占据体积空间中；标准发射换能器不得与水面或者水底接触。
(4)电声参数的扫描移动测量。标准发射换能器做匀速扫描移动，扫描速度不超过0.1m/s；扫描轨迹可以为：直线往复或者螺旋形，保持扫描过程中与浮标水听器阵列的间距大于2倍混响半径，扫描轨迹长度大于混响水池宽度的1/2。
在扫描移动的过程中，标准发射换能器稳定地辐射宽带白噪声信号，测量标准水听器输出电压以及浮标水听器阵列每个阵元的输出电压；标准发射换能器声辐射、标准发射换能器扫描移动与输出电压测量同步进行的方式，测量时长不少于90s。
(5)浮标水听器阵列阵元的接收电压灵敏度的计算。对标准水听器、浮标水听器阵列每个阵元分别做输出电信号自功率谱计算，做自功率谱在测量时长内的平均。
浮标水听器阵列阵元电压灵敏度计算公式为：
Figure BDA0002361232000000041
式中，<ei>为浮标水听器第i个阵元输出电压自功率谱时间平均值，<es>为标准水听器输出电压自功率谱时间平均值，Ms为标准水听器接收电压灵敏度，Mi为浮标水听器第i个阵元接收电压灵敏度。
具体实施方式二：
本发明的目的是提供一种混响水池中浮标水听器阵列阵元灵敏度校准方法，能够解决大型浮标水听器灵敏度整体低频校准问题。下面以哈尔滨工程大学水声技术重点实验室的消声水池和混响箱为例，对本发明做详细说明：
标准发射换能器采用EDO 6829-17k无指向性声源。功率放大器采用B&K 2713型功放。标准水听器采用RHS(A)-20型水听器。数据采集器采用B&K PULSE3560E动态信号分析仪，采样率为50kHz。校准阵列为HEUAV-20型浮标水听器阵列，阵列长8m，直径为8cm，共有30个阵元。
(1)混响水池尺度选择。根据混响水池宽度至少是浮标水听器阵列长度1.5倍的要求，在此选择的混响水池尺寸为：长15m，宽9m，水深6m。池壁为混凝土结构，内壁敷设瓷砖。
(2)浮标水听器阵列1的布置。浮标水听器呈直线型，沿混响水池长度方向平行与壁面，悬浮于水中；浮标水听器阵列与混响水池壁面间距为2m，两段距离池壁均为3.5m，距离水底3m；每个阵元表面无遮盖，与水体接触。
(3)标准发射换能器3和标准水听器1。将标准发射换能器和标准水听器置于混响水池中。混响半径为1.7m，设定标准发射器和浮标水听器阵列两者之间的最短距离为4m；标准水听器置于浮标水听器阵列下侧0.5m处。
(4)电声参数的扫描移动测量。标准发射换能器做匀速扫描移动，扫描速度为0.1m/s；扫描以长度方向直线往复移动的方式进行，扫描路径长度为8m，且保持扫描过程中与浮标水听器阵列的最小间距为4m。
在扫描移动的过程中，标准发射换能器稳定地辐射50Hz-20kHz宽带白噪声信号，测量标准水听器输出电压以及浮标水听器阵列每个阵元的输出电压；标准发射换能器的声辐射、扫描移动与输出电压测量同步进行，测量时长为90s。
(5)浮标水听器阵列阵元的接收电压灵敏度的计算。校准频率范围为100Hz-20kHz，对标准水听器、浮标水听器阵列每个阵元分别做输出电信号自功率谱计算，做自功率谱在测量时长内的平均<ei>和<es>。
浮标水听器阵列阵元接收电压灵敏度计算公式为：
Figure BDA0002361232000000051
式中，<ei>为浮标水听器第i个阵元输出电压自功率谱时间平均值，<es>为标准水听器输出电压自功率谱时间平均值，Ms为标准水听器接收电压灵敏度，Mi为浮标水听器第i个阵元接收电压灵敏度。本实施例校准电压灵敏度不确定度小于1dB。
本发明的上述实施例并非是对本发明实施方式的局限。本发明技术领域的技术人员在工程中可以根据所描述的具体实施例为基础作各种修改、补充和类似的改造和变动，但并不偏离本发明的精神所引申的改造和变动仍属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种在混响水池中校准浮标水听器阵列阵元的方法，其特征是：
(1)根据浮标水听器阵列的长度，以直线形式将浮标水听器阵列布放于混响水池中，浮标水听器稳定的悬浮于混响水池中，浮标水听器阵列边缘至混响水池壁面的距离大于1m；
(2)将一个标准发射换能器和一个标准水听器置于混响水池中，标准发射器和浮标水听器阵列两者之间的距离不少于2倍的混响半径，标准水听器置于浮标水听器阵列占据体积空间中；
(3)标准发射换能器做匀速扫描移动，在扫描移动的过程中，标准发射换能器稳定地辐射宽带白噪声信号，测量标准水听器输出电压以及浮标水听器阵列每个阵元的输出电压；
(4)对标准水听器、浮标水听器阵列每个阵元分别做输出电信号自功率谱计算，做自功率谱在测量时长内的平均，
浮标水听器阵列阵元电压灵敏度计算公式为：
Figure FDA0002361231990000011
式中，<ei>为浮标水听器第i个阵元输出电压自功率谱时间平均值，<es>为标准水听器输出电压自功率谱时间平均值，Ms为标准水听器接收电压灵敏度，Mi为浮标水听器第i个阵元接收电压灵敏度。
2.根据权利要求1所述的在混响水池中校准浮标水听器阵列阵元的方法，其特征是：所述的混响水池得宽度至少是浮标水听器阵列长度的1.5倍，校准所需混响水池的容积与浮标水听器阵列体积比不少于8:1。
3.根据权利要求2所述的在混响水池中校准浮标水听器阵列阵元的方法，其特征是：所述的匀速扫描移动的扫描速度不超过0.1m/s；扫描轨迹为：直线往复或者螺旋形，保持扫描过程中与浮标水听器阵列的间距大于2倍混响半径，扫描轨迹长度大于混响水池宽度的1/2。
4.根据权利要求3所述的在混响水池中校准浮标水听器阵列阵元的方法，其特征是：测量时长不少于90s。
5.根据权利要求1至4任何一项所述的在混响水池中校准浮标水听器阵列阵元的方法，其特征是：标准发射换能器不得与水面或者水底接触。
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