CN111458009A - 一种线列阵低频性能自动校准系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种线列阵低频性能自动校准系统。本发明主要由不锈钢声管、水处理系统、声源发射系统、阵列定位与移动系统、位置监控系统，发射驱动系统、信号接收与处理系统、系统工作软件等组成。不锈钢声管由多段声管组合而成，内部固定滚轮机构引导驱动线列阵沿声管轴线运动。边端管道端面安装低频发射声源，中间管道安装辅助发射器，分别产生20Hz‑100Hz驻波声场和100Hz‑1kHz的近似均匀场。利用水循环系统将声管注满水介质，信号发生器激励低频换能器或辅助发射阵，线列阵通过定位与移动系统进入管中，通过信号接收与处理系统对标准水听器和待测阵列信号进行采集，利用总线传入上位机进行线列阵阵元信号值与标准水听器的灵敏度和幅相一致性比较，从而实现校准。
Description
技术领域
本发明涉及一种线列阵低频性能自动校准系统。
背景技术
由于线列阵工作效率低、声段的孔径很大，用现有装置和常规的自由场校准方法是很难对其进行测量校准的。国外自70年代初开始与拖曳线列阵的研制同步进行了多项校准技术和设备的研究，其中包括垂直悬挂法、缠绕法、空气密封箱法、车轮形密封水管法，但这些方法只能校准基元或声段的复灵敏度并且精度不够高。
为了更准确便利地校准线列阵，在80年代后期，逐渐发展出了一种在管中校准线列阵的新方法。其校准的基本原理是：管中沿管轴方向放置发射换能器列和监测水听器列，首先测量校准系统的传递函数，然后通过传递函数的逆得到所需发射换能器列驱动的幅度和相位，驱动发射换能器列在管中产生一个等效于沿任意角度入射的自由场平面波的声压场。不仅可以校准线列阵或阵元灵敏度，还可以测量阵的远场指向性。由于校准是在密封声管中进行的，还能对管中的温度和压力进行控制。但该领域仍缺乏以自动化技术来极大的减轻人工作业，在自动化技术日趋成熟的现今，应将自动化技术与在声管中对线列阵进行测量校准方法结合起来应用于实验室中对线列阵进行测量校准。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，满足线列阵及其阵元在实验或生产条件下声学性能的测试需求，解决测试所需声场条件和测试装置问题，是一种主要用于对20Hz-1kHz范围内对线列阵及其阵元进行自动化校准的检测系统。由不锈钢声管、声源发射系统、阵列定位与移动系统、位置监控系统，水处理系统、发射驱动系统、信号接收与处理系统、系统工作软件等部分组成。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为:
对于长度20m-200m不等的拖曳线列阵来说，常规方法检测中手动对线列阵进行安装或调整十分不便，并且会造成一定的误差。并且对于长度较长的线列阵安装和检修都是一项大工程，并且会产生大量人力物力资源的耗费。以现有方法技术来讲，在20Hz-1kHz低频范围内对线列阵进行精确校准的自动化系统也还未现于世。
为了减轻人工作业的负担，在整个系统中不锈钢声管由多段声管结构组合，采用水密封结构，由法兰连接而成。边端管道的端面安装低频发射声源，中间段管道安装辅助发射器，分别产生20Hz-100Hz驻波声场和100Hz-1kHz的近似均匀场；声管内部固定滚轮机构，引导驱动线列阵沿声管轴线运动。线列阵在管中的位置可以通过机械移动系统进行调整，通过机械移动系统将完成整个待校阵列的位置移动，使其能顺利地进入声管、在声管中运动和移出声管。
在线列阵进出口两端各安置一个监视传感器对线列阵及阵元进行计数和特征识别。水处理系统由不锈钢水槽、除气泵和水循环管路构成，利用电磁阀驱动实现自动注水排水，同时驱动声管内部的水循环流动去除水中残留的气泡。
发射驱动系统由多通道信号发生器和功率放大器构成，低频换能器将由二只功率放大器分别驱动，辅助发射阵中每二只换能器由一台功率放大器驱动，发射板卡能产生24通道的独立信号输出，其中2通道用于驱动低频换能器，在20Hz-100Hz频段形成驻波声场；其余20通道驱动辅助发射阵，用于在100Hz-1kHz频段调节校准区域中的声压分布。
最后，信号接收与处理系统将采集后的信号处理后利用总线传输进入上位机，通过测量系统的工作软件对线列阵阵元与标准水听器灵敏度和幅相一致比较，从而实现校准。
本发明的基本原理：在管中沿管轴方向布放发射换能器列和标准水听器列，首先测得校准系统的传递函数，然后通过传递函数的逆得到所需发射换能器列驱动的幅度和相位，驱动发射换能器列在管中产生一个等效于沿任意角度入射的自由场平面波的声压场：在20Hz-100Hz范围内通过调节声管两端安装的低频换能器相位差，在声管中校准区域形成驻波声场；在100Hz-1kHz范围内的发射声源采用0.3m间隔安装在不锈钢管内部的圆环形换能器阵列产生均匀声场。利用比较法将待测线列阵阵元与的标准水听器进行比较来校准水听器阵元灵敏度和幅相一致性。
本发明的有益效果在于：本发明是在20Hz-1kHz低频范围内对线列阵进行自动化校准系统，整个系统过程对自动化要求极高，大大的提高了校准效率并能够有效避免手动安装线列阵和手动采集数据时产生的误差。除了利用可编程控制器(PLC)控制线列阵移动的行走机构外，信号接收与处理系统可以同时采集多路标准水听器的信号数据并通过总线传输进入上位机进行线列阵阵元信号值与标准水听器的灵敏度和幅相一致性比较,使得整个流程高度自动化集成化，减少了测量校准的工作量。
在全部测量工作完成后，上位机将汇集全部的测量系统状态设定、环境条件等信息，完成待测阵元灵敏度和幅相一致性测量结果校准，最终给出整个测量过程的测试报告。
附图说明
图1是声管自动检测左侧和右侧正视图；
图2是声管内部分布三维图；
图3是系统硬件流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明中声管结构及其行走机构装置包括左侧收线排线机构1、线列阵2、圆环形换能器阵列3、行走机构机架4、标准水听器5、不锈钢声管6和右侧放线排线机构7组成。其中声阵列传动系统由排线装置完成，分别在设备左右各一套也就是图1中的结构1和结构7，该装置包括安装底架、底座直线驱动装置、滑台、滚筒支架、滚筒直驱机构等，具备增加张力，计算卷进位置，以及自动排线，收线放线功能。结构6是不锈钢声管，声管腔体采用不锈钢无缝钢管焊接而成，采用水密封结构，由法兰连接。管道上开有安装水听器和辅助发射器的机构，还设计了固定和驱动线阵列在监测时可行走运动的滚轮机构。其中，低频发射声源安装在声管的两端，用于产生20Hz-100Hz的驻波声场；结构3是间隔0.3m安装在不锈钢声管内部的圆环形换能器阵列作为辅助发射声源，用于产生100Hz-1kHz的近似均匀声场。线阵列2位于声管内部，定位在声管轴线附近，且与声管轴线平行。导轮机构可以支撑住线阵列，保持其在声管内的形状满足要求，在驱动导轮跟收放线滚筒共同驱动下，可以保证线阵列在声管内部均匀运动，且不被过多不均匀的力拉扯。结构4主体机架由机架模块拼接而成，设计了方便调平且结构稳定的地脚机构。
具体操作方法如下：
(1)先对整个系统进行安装，将声管左右两端安装低频换能器，声管内部以30cm间隔安装球形水听器作为辅助发射声源，在声管腔体中间段安装标准水听器，对待测线列阵阵元进行标记，线列阵进出两端口安装监控传感器实时监控阵元进出情况并且方便记录数据以完成测量校准，安装好后进行系统自检。声管中段安装有水槽，在测量开始前通过水龙头将水介质注入到水槽中，利用除气泵和水循环管路不断过滤和清除校准管中的气泡、并降低水介质中的气泡含量，最终使声管中注满除气后的水介质。通常，若产生气泡会降低在校准器内可获得的声压级并引起杂散谐振，致使校准产生较大误差。该水循环系统可实现自动注水，排水等功能，同时驱动声管内部的水循环流动，起到去除水中残留的气泡作用。
(2)声管两端低频发射声源用于20Hz-100Hz频段线列阵校准，校准时通过调节两只换能器的相位差形成均匀驻波声场；若用于在100Hz-1kHz频段内校准线列阵，发射声源采用辅助发射换能器即安装在不锈钢圆管内部以30cm间隔的球形水听器组成的水听器阵列来产生近似均匀的声场。选择校准频率，并以功率级电驱动发声或驱动器换能器，以便从水听器阵列元件中获得足够的信号，并使得信号满足p(θ，z)＝p0ejkzsinθ条件以利用标准水听器进行声场均匀性检测，判断是否满足检测要求。
(3)阵列自动传送系统依据可编程控制器(PLC)控制，控制排放线结构来拖动阵列自动进入声管，测试完毕后，通过排放线机构自动将线列阵拖曳出声管，完成检测；控制器负责检测线的状态监控，如检测状态、视频监控使能、阵列打标等。将标记好的声阵列利用声阵列自动传送系统中放线排线机构缓慢均匀的将声阵列穿过充满水的声管，并且注意没有气泡的产生。
(4)左端监控传感器记录进入的已标记的第一个阵元和在有限个数中进入的已标记的最后一个阵元，右端监控传感器记录测量完成后从声管中通过声阵列传动系统移出的已标记的第一个阵元和最后一个阵元。通过监控传感器获取每个阵元的标记特征，上传至上位机后进行图像处理获取每一阵元的特征并进行计数与识别，实现进出阵元的个数与标记匹配识别，处理结果由PLC上传到上位机，若产生差别则应停止实验并进行调整。
(5)在线列阵成功穿过声管使其已被水润湿，信号稳定后，利用信号接收与处理系统对标准水听器和待测线列阵的信号实时采集，并对采集后的信号进行调理、采样和FFT变换，通过总线传输到上位机数据库中进行保存，由上位机测量系统的工作软件对采集好的数据进行数据分析得出最后结果并生成一个检测校准报告。
总言之，首先安装好所有设备，利用水循环系统将声管注满水介质，信号发生器对低频换能器或辅助发射阵激励以产生发射声场，使得信号满足p(θ，z)＝p0ejkzsinθ条件以利用标准水听器进行声场均匀性检测，判断是否满足检测要求；若满足，再将线列阵通过定位与移动系统进入声管中，设置相关参数后通过信号接收与处理系统对标准水听器信号进行实时采集，将采集的信号调理后进行采样和FFT变换，通过总线传输进入上位机利用系统工作软件进行线列阵阵元信号值与标准水听器的灵敏度和幅相一致性比较，从而实现校准。
Claims (1)
1.一种线列阵低频性能自动校准系统，主要由不锈钢声管、水处理系统、声源发射系统、阵列定位与移动系统、位置监控系统，发射驱动系统、信号接收与处理系统、系统工作软件等部分组成，其特征在于：
(1)不锈钢声管由多段声管结构组合，采用水密封结构，由法兰连接而成。边端管道的端面安装低频发射声源，中间段管道安装辅助发射器，分别产生20Hz-100Hz驻波声场和100Hz-1kHz的近似均匀场；声管内部固定滚轮机构，引导驱动线列阵沿声管轴线运动；
(2)水处理系统由除气泵、水槽和水循环管路组成，在测量开始前通过水龙头将水介质注入到水槽中，通过除气泵和水循环管路不断过滤和清除校准管中的气泡、并降低水介质中的气泡含量，最终使声管中注满除气后的水介质；该水处理系统可由电磁阀实现自动注水，排水等功能，同时驱动声管内部的水循环流动，起到去除水中残留的气泡作用；
(3)发射驱动系统由多通道信号发生器和功率放大器构成，低频换能器将由二只功率放大器分别驱动，辅助发射阵中每二只换能器由一台功率放大器驱动，多通道信号发生器由机箱、控制器和发射板卡组成，发射板卡能产生24通道的独立信号输出，可设置校准所需要的频率、信号幅度及相位，其中2通道用于驱动低频换能器，在20Hz-100Hz频段形成驻波声场；其余20通道驱动辅助发射阵，用于在100Hz-1kHz频段调节校准区域中的声压分布；
(4)阵列自动传送系统由可编程控制器(PLC)控制，控制排放线结构来拖动阵列自动进入声管，测试完毕后，通过排放线机构自动将线列阵拖曳出声管，完成检测；控制器负责检测线的状态监控；
(5)对待测线列阵阵元进行标记，左端监控传感器记录进入的已标记的第一个阵元和在有限个数中进入的已标记的最后一个阵元，右端监控传感器记录测量完成后从声管中通过声阵列传动系统移出的已标记的第一个阵元和最后一个阵元，通过监控传感器获取每个阵元的标记特征，上传至上位机后进行图像处理获取每一阵元的特征并进行计数与识别，实现进出阵元的个数与标记匹配识别，处理结果由PLC上传到上位机；
(6)利用水循环系统将声管注满水介质，信号发生器对低频换能器或辅助发射阵激励以产生发射声场，使得信号满足p(θ，z)＝p0ejkzsinθ条件以利用标准水听器进行声场均匀性检测，判断是否满足检测要求；若满足，再线列阵通过定位与移动系统进入声管，设置相关参数后通过信号接收与处理系统对标准水听器信号进行实时采集，将采集的信号调理后对信号进行采样和FFT变换，通过总线传输进入上位机利用系统工作软件进行线列阵阵元信号值与标准水听器的灵敏度和幅相一致性比较，从而实现校准。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112556817A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-03-26 | 中国船舶重工集团有限公司第七一0研究所 | 一种空气中检测低频声基阵阵元幅度一致性系统及检测方法 |
| CN114018397A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-02-08 | 中国舰船研究设计中心 | 水听器弧线阵低频校准装置及其校准方法 |
| CN114674413A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-06-28 | 武汉理工大学 | 全光纤拖曳水听器阵列和制造方法及水听方法 |
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2020
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