CN111397721A - 一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法与系统，该校准方法涉及矢量水听器校准领域，主要用于同振式矢量水听器的精确校准。本发明方法通过对驻波管内声场进行分析，建立驻波管中水质点振速在垂直方向上的分布函数，并能够得到任意深度处声场中质点振速关系。采用激光测振技术，得到驻波管表面边界法相方向的质点振速，并以此推导出驻波管中任意深度处的质点振速。由于激光测振系统可以直接进行振速测量，因此，该方法不需要引入标准水听器，消除了在声压和矢量参数之间转换所引起的误差，并将测量的偏差进一步降低。这种方法可以应用于同振式矢量水听器的精确校准，弥补当前矢量水听器校准方法的不足。

Description

一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方 法与系统

技术领域

本发明涉及水声测量领域，属于矢量水听器灵敏度测量领域，主要是一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法与系统。

背景技术

在水声测量与检测中，矢量水听器不仅能够测量声场中的声压信息，而且还能同时、共点够测量质点速度、质点加速度等矢量信息，进一步增加了获取水下信号的种类和数量，拓展了后置信号处理的空间。同时，在低频测量领域，由于此时声波波长较长，若要形成指向性，通常需要构建庞大的阵列系统。与传统水听器相比，由于矢量水听器本身具有“8”字形指向性，并且该特性是不随频率的变化而变化的，这使得它在水声低频测量领域具有较为明显的优势。为了保证矢量水听器测量水下参数的准确可靠，在矢量水听器使用前都需要对其进行校准。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，利用该声压值并结合声压场中的声场分布推算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矢量参数灵敏度的校准。这种方法的优点就是原理简单，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。同时，在该方法中需要将测量得到的水声声压转换到声压梯度，对于不同的驻波管，其内部的驻波声场也不相同，因此会导致在转换过程中出现误差。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。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法与系统，可以在驻波管中实现同振式矢量水听器的低频绝对校准，在不破坏驻波管声场条件的情况下，直接得到同振式矢量水听器的矢量参数灵敏度，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。本发明提供了一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法，包括如下步骤：

1)、将同振式矢量水听器通过橡皮筋或其他弹性材料悬挂在定位机构上，保证同振式矢量水听器各向受力均匀，并且能够在水下连同水中质点共同振动，橡皮筋的谐振频率应远离矢量水听器的测量频率范围，并确保定位机构对声场产生较小的影响；

2)、定位机构与同振式矢量水听器一同放置在驻波管水下一定深度处，被测矢量通道与驻波管轴向方向相同，同振式矢量水听器的声中心入水深度为h₀；

3)、控制函数发生器产生测量所需要的信号，该信号通过功率放大器进行功率放大后，激励驻波管底部的发射换能器在驻波管中产生测量所需要的声场；

4)、根据驻波管的材料和结构特性，计算该驻波管中不同频率下的相速度c；

5)、利用激光测振系统，测量驻波管中液体表面的振速，根据驻波管中的垂直声场分布规律得到驻波管中任意深度处的水质点振速；

6)利用步骤4)和步骤5)中得到的参数，计算得到同振式矢量水听器的矢量参数灵敏度。

更进一步的，所述的同振式矢量水听器被测通道的方向应沿垂直方向，保证与驻波管中的驻波方向相同，在驻波管中液体表面，其法相质点振速与驻波管中驻波方向相同。

更进一步的，所述的驻波管中的任意深度h(0<h<L)振速沿垂直于驻波管的方向分布满足u_h＝u₀coskh，其中u₀为常数，k为波数，k＝ω/c，ω为角频率，c为垂直于驻波管方向的水中声波相速度，L为驻波管中液体的深度。当声波由水媒质向空气媒质传播时，在水与空气交接处，质点振速法相速度是入射波法相振速的2倍，因此，在h＝0时，u_h＝0＝2u₀。管中速度分布可以表示为：

u_h＝u₀cos kh (0＜h＜L) (1)

u_h＝2u₀ (h＝0)

更进一步的，由于低频测量频率较低，管中相速度无法通过脉冲等方法直接测量。可通过公式计算的方法获得不同频率下驻波管中的相速度c。

更进一步的，本发明利用利用激光测振系统测量驻波管中液体表面的法相振速u′，由于驻波管中振速的水平分布式存在偏差的，因此为了准确得到水面表面的振速，需要进行n次驻波管表面振速的测量，得到n个法相振速u′₁，u′₂，…u′_n，计算n个水面法相振速的平均值，得到驻波管水面的法相速度u′₀：

驻波管中水质点振速满足公式(1)中所述的分布规律，得到：

u₀＝u₀'/2 (3)

将u₀代入声场分布中，直接得到同振式矢量水听器(1)的振速灵敏度：

M_u＝2U₀/u₀'cos kh₀ (4)

该灵敏度为通过水面质点振速直接得到，没有通过中间参数转换。并且激光测振测量水面质点振速是非常准确的，因此，通过这种方法得到的同振式矢量水听器灵敏度具有较高的精度。

本发明同时提供了一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准系统，该系统主要包括函数发生器、线性功率放大器、驻波管、发射换能器、激光测振系统、滤波器、前置放大器、电子开关、数字示波器、同振式矢量水听器和计算机，其中，同振式矢量水听器通过弹性材料悬挂在定位机构上并与电子开关相连接，定位机构与同振式矢量水听器一同放置在驻波管水下一定深度处，被测矢量通道与驻波管轴向方向相同；函数发生器通过线性功率放大器与设置在驻波管底部的发射换能器相连接，用于产生测量所需要的声场；激光测振系统用于测量驻波管中液体表面的振速并与电子开关相连接。

需要说明的是：获得驻波管表面振速的仪器和方法不仅仅局限于激光测振技术，其他任何形式获取水面振速的方法都在本专利要求保护范围之内。

本发明的有益效果为：通过测量驻波管中水面与空气边界表面处的质点振速，从而推算出声压场中任意深度矢量水听器声中心的质点振速，实现矢量水听器的低频校准。由于该方法使用了激光测振的方法，在测量过程中没有引入标准水听器，因此这种方法是一种绝对校准方法，其测量不确定度相对较低；同时，在测量过程中所使用的激光不会对声压场中的声场分布产生任何影响，因此，这种方法能够减低干扰，具有更高的精度。

a)通过水面边界测振技术可以较为精确地获得驻波管表面的质点振速，并推算出驻波管中任意深度处水中质点的振速，从而实现矢量水听器矢量参数的精确校准；

b)通过激光测振技术，实现驻波管中声场的精确测量，并且不对驻波管中的声场、换能器和同振式矢量的工作产生影响，进一步提升了同振式矢量水听器的测量精度。

附图说明

图1为激光测振系统测量驻波管水面质点振速示意图。

图2为同振式矢量水听器校准系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体测量内容对本发明的具体实施方式进行详细阐述，这些具体实施方式若存在示例性的内容，不应解释成对本发明的限制。

本发明提供了一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法与系统，该系统主要包括函数发生器7、线性功率放大器6、驻波管3、发射换能器4、激光测振系统5、滤波器9、前置放大器10、电子开关11、数字示波器8、同振式矢量水听器1和计算机12；其测量系统构成及要求如下：1)函数发生器7：可以产生连续正弦信号的函数发生器；2)线性低频功率放大器6，该功率放大器的功率足够大，能够激励低频换能器产生需要测量的声波；3)低频发射换能器4，该发射换能器在测量频带内是线性的，能够产生低频信号；4)前置放大器10，该前置放大器具有较高的阻抗和较低的噪声，并且在测量频率范围内具有相位一致性；5)滤波器9，该滤波器的滤波频率范围覆盖测量频率范围；6)数字示波器8，示波器需要具有波形显示、数据采集和数据存储功能；7)电子开关11，用于信号通道之间的切换；8)激光测振系统5，该激光测振系统能够精确测量水面边界的振速；9)计算机12，用于控制整个系统信号的收发和数据分析。其中，同振式矢量水听器1通过弹性材料悬挂在定位机构2上并与电子开关11相连接，定位机构2与同振式矢量水听器1一同放置在驻波管3水下一定深度处，被测矢量通道与驻波管轴向方向相同；函数发生器7通过线性功率放大器6与设置在驻波管3底部的发射换能器4相连接，用于产生测量所需要的声场；激光测振系统5用于测量驻波管中液体表面的振速并与电子开关11相连接。

本发明一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法与系统，校准原理如下：如图1所示，低频发射换能器安装在驻波管的底部，用于产生测量所需要的声信号。低频发射换能器发射声波，声波在水面发生全反射，并在驻波管中形成驻波，驻波管中声压的表达式可以表示为：

p＝p₀sin kh(0≤h＜L) (1)

其中，k为波数，k＝ω/c，ω为角频率，c为驻波管中沿垂直方向的相速度。p₀是一个常数，h为驻波管中的任意深度，L为驻波管的最大深度。

驻波管中任意深度水中质点振速可以表示为：

其中，u₀为恒定常量。质点振速在声场中的分布如图1所示。

驻波管中声场的垂直分布已知，若能测得式(2)中的u₀，就能够得到驻波管中任意深度处的质点振速。

对于水面振速，这里采用激光法测量驻波管内液柱表面的振速。其测量方法如图1所示，在测量过程中，激光测振系统垂直于驻波管液体的表面，由于驻波管中液体表面存在振动，入射激光受到了振动的作用，其反射光束会产生多普勒频移，并与参考光产生干涉，形成频率偏差，通过解调后即可得到驻波管中水面的质点振速。为了确保入射光能够在水面产生反射光并与入射光形成干涉，在同振式矢量水听器测量过程中，驻波管中液体表面的振幅不能过大或产生较大波纹。

在式(2)中，为了准确得到驻波管中的波数k，需要准确测量管中垂直方向的相速度c。垂直方向的相速度c是频率的函数，由于驻波管的频率较低，声波波长较长，脉冲法和1/4波长法很难对管中相速度进行测量。这里选择计算的方法，通过建立驻波管波导方程，将驻波管的具体参数代入公式中，可以计算出任意频率下，管中垂直方向的相速度c。

本发明一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法与系统，其系统结构如图2所示，其测量步骤如下：

1)计算机控制函数发生器产生测量所需的连续信号，该信号经过功率放大器进行功率放大后激励驻波管底部的发射换能器产生声信号；

2)声信号在驻波管中形成驻波，驻波场中的速度分布和声压分布满足式(1)和式(2)；

3)同振式矢量水听器在驻波管中的入水深度为h₀，其在声波的作用下在电缆末端产生开路电压U_G；

4)激光测振系统测量驻波管中液体表面的振速，并输出开路电压U_V；

5)两组信号分别在电子开关中进行通道选通后，经过前置放大器进行阻抗匹配和前置放大，然后经过滤波器进行滤波，最后由示波器显示测量得到的电压波形，并测量相应的电压值；

6)通过计算机得到同振式矢量水听器的振速灵敏度，振速灵敏度的计算公式表示为：

式中K为激光测振系统的灵敏系数。

通常同振式矢量水听器的灵敏度不仅包含质点振速灵敏度，还包括声压梯度灵敏度和质点加速度灵敏度，同振式矢量水听器各灵敏度之间的关系可通过下式进行相互转换计算：

本发明根据驻波管中垂直声场分布规律，通过测量驻波管表面边界振速即可推算出驻波管中任意位置处的水质点速度，实现同振式矢量水听器矢量通道灵敏度的绝对校准。由于在测量过程中没有引入参考水听器，并且激光对水中声场的影响非常小，这种方法能够进一步提升同振式矢量水听器的校准精度，弥补当前驻波管比较法校准同振式矢量水听器的不足。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：校准包括如下步骤：

1)、将同振式矢量水听器通过弹性材料悬挂在定位机构上，保证同振式矢量水听器各向受力均匀，并且能够在水下连同水中质点共同振动，弹性材料的谐振频率应远离矢量水听器的测量频率范围；

2)、定位机构与同振式矢量水听器一同放置在驻波管水下一定深度处，被测矢量通道与驻波管轴向方向相同，同振式矢量水听器的声中心入水深度为h₀；

3)、控制函数发生器产生测量所需要的信号，该信号通过功率放大器进行功率放大后，激励驻波管底部的发射换能器在驻波管中产生测量所需要的声场；

4)、根据驻波管的材料和结构特性，计算该驻波管中不同频率下的相速度c；

5)、利用激光测振系统，测量驻波管中液体表面的振速，根据驻波管中的垂直声场分布规律得到驻波管中任意深度处的水质点振速；

6)利用步骤4)和步骤5)中得到的参数，计算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所述的基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：所述的同振式矢量水听器被测通道的方向应沿垂直方向，保证与驻波管中的驻波方向相同，在驻波管中液体表面，其法相质点振速与驻波管中驻波方向相同。

3.根据权利要求1所述的基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：所述的驻波管中的任意深度h(0<h<L)振速沿垂直于驻波管的方向分布满足u_h＝u₀coskh，其中u₀为常数，k为波数，k＝ω/c，ω为角频率，c为垂直于驻波管方向的水中声波相速度，L为驻波管中液体的深度，驻波管中速度分布表示为：

4.根据权利要求1或2或3所述的基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：利用激光测振系统测量驻波管中液体表面的法相振速u′，进行n次驻波管表面振速的测量，得到n个法相振速u′₁，u′₂，…u′_n，计算n个水面法相振速的平均值，得到驻波管水面的法相速度u′₀：

驻波管中水质点振速满足公式(1)中所述的分布规律，得到：

u₀＝u₀'/2 (3)

将u₀代入声场分布中，直接得到同振式矢量水听器的振速灵敏度：

M_u＝2U₀/u₀'coskh₀ (4)。

5.一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准系统，其特征在于：该系统主要包括函数发生器、线性功率放大器、驻波管、发射换能器、激光测振系统、滤波器、前置放大器、电子开关、数字示波器、同振式矢量水听器和计算机，其中，同振式矢量水听器通过弹性材料悬挂在定位机构上并与电子开关相连接，定位机构与同振式矢量水听器一同放置在驻波管水下一定深度处，被测矢量通道与驻波管轴向方向相同；函数发生器通过线性功率放大器与设置在驻波管底部的发射换能器相连接，用于产生测量所需要的声场；激光测振系统用于测量驻波管中液体表面的振速并与电子开关相连接。

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