CN111537616A - 一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法 - Google Patents

一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法，包括如下过程：1)将低频或甚低频组合式矢量水听器安装于待测导流罩内部，布放于海洋中；2)下放声学换能器至指定位置，发射待测频段的脉冲信号，低频或甚低频组合式矢量水听器监测导流罩内部声场的时域垂直振速值vz(t)、水平振速值vr(t)和声压值p(t)；3)系统回收，更换待测导流罩，重新布放测试；4)读取数据，截取直达信号，进行快速傅里叶变换，计算声压与振速之间的关系参数Hpv与Jpv，Hpv和Jpv值越接近0，说明导流罩性能越好。本发明所公开的方法可对导流罩性能进行评价，尤其低频或甚低频同振式矢量水听器导流罩，其中包含大量不可数值仿真和实验室测试的较大体积或者材料、形状复杂的导流罩。

Description

一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法
技术领域
本发明涉及一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法。
背景技术
矢量水听器可以同步、共点拾取声场中声压和质点振速信息，并具有不依赖于频段的指向性，有效缓解了水听器阵列为了在低频段获得空间增益而带来的要求大孔径的压力，为低频声场测量和声信号处理提供了有效手段。低频或甚低频组合式矢量水听器被逐渐应用在目标方位识别与声源深度区分等领域。但由于工作频段比较低，受流噪声影响极大，通常使用导流罩减小流噪声的影响，尤其是同振式矢量水听器，需要检测声场的振动信号，易受到水流冲击的影响，所以需要选择合适的导流罩，既能给水听器提供静水环境，又需要保证导流罩内声场不失真，这是设计的关键因素之一。
目前，对导流罩的测试评价方法主要是通过模型仿真和实验室测试两种，模型仿真主要使用有限元模型，可以分析在流体作用下的导流罩的谐振频率，对导流罩进行模态分析，但是用于低频或者甚低频同振式矢量水听器的导流罩体积一般较大，并且制作出的导流罩实物会与模型仿真结果有偏差。另外，由于国内此类水听器发展起步较晚，目前主要还在研究阶段，其导流罩材料、形状还在摸索阶段，比如使用多种布料进行拼接的异型导流罩，这些材料或者形状的导流罩无法使用模型进行仿真分析；实验室测试包括振动台、驻波管和水池测试，其中水池测试适用于小型高频的矢量水听器导流罩测试，振动台和驻波管主要用来测量较小体积的导流罩性能，获得导流罩的谐振频率等信息。实验室测试的优势是实验条件是可控的，可以在导流罩外设置对照组，对导流罩性能进行较为精准的评估，但是实验室测试也是有劣势的，其不适合对体积较大的导流罩进行评估。海洋面积广阔，且更加接近被测设备的应用场景，是天然的测试场地，可以对无法进行模型仿真和实验室测试的导流罩进行评价，但是由于自然海域无法提供如同实验室水池一样的静水环境，只能采集到导流罩内部的声场信息，导流罩外部因为水流冲击，无法设置对照组，这也是目前在自然海域通常无法进行导流罩测试的原因。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明利用组合式矢量水听器采集多通道的声场信息，同步、共点拾取声场中声压和质点振速，采用声压与振速之间的关系，提供了一种在深海环境中对低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法，以达到对导流罩性能评价的目的，尤其是针对低频或甚低频同振式矢量水听器的较大体积导流罩或者材料、形状较为复杂的导流罩。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法，包括如下过程：
(1)将低频或甚低频组合式矢量水听器安装于待测导流罩内部，通过缆绳顶端连接浮体，底端连接重块，布放于海洋中；
(2)下放声学换能器至指定位置，循环发射待测频段的脉冲信号一定时间，低频或甚低频组合式矢量水听器监测导流罩内部声场的时域垂直振速值vz(t)、时域水平振速值vr(t)和时域声压值p(t)；
(3)系统回收，更换待测导流罩，重新布放，并进行相同时间的测试后进行回收，按照相同方法直至完成所有待测导流罩的测试；
(4)将测得的数据进行如下处理：读取存储系统中的时域垂直振速值vz(t)、时域水平振速值vr(t)和时域声压值p(t)，截取直达信号，进行快速傅里叶变换，提取声压、垂直振速、水平振速的频谱值，做平均，得到与待测导流罩对应的所有频率信号的平均声压值p(w)、平均水平振速值vr(w)和平均垂直振速值vz(w)，通过公式
Figure BDA0002436361870000021
计算得到平均振速值v(w)，w为待测频段的频率；代入以下公式计算声压与振速之间的关系参数Hpv和Jpv：
Figure BDA0002436361870000022
其中，σ为标准差运算符，E为均值运算符，ρ为海水密度，c为海水声速，| |表示取绝对值；
横向比较各个待测导流罩的Hpv与Jpv值，Hpv与Jpv值越接近0，说明导流罩性能越好。
上述方案中，所述待测导流罩底部设有存储系统，待测导流罩两端的缆绳上分别设置减振连接件，重块与缆绳之间设置释放装置。
上述方案中，所述低频或甚低频组合式矢量水听器包括低频或甚低频声压水听器和低频或甚低频同振式矢量水听器，所述低频或甚低频声压水听器用于接收待测导流罩内部声场的时域声压值p(t)，低频或甚低频同振式矢量水听器用于接收待测导流罩内部声场的时域垂直振速值vz(t)和时域水平振速值vr(t)。
上述方案中，所述低频或甚低频声压水听器包括性能一致的6只，对称均匀地布置在低频或甚低频同振式矢量水听器周围，采用并联方式连接。
上述方案中，所述低频或甚低频声压水听器灵敏度在100Hz处大于-185dB，无前置放大器，10-100Hz内的起伏小于3dB，低频或甚低频同振式矢量水听器灵敏度在100Hz处大于-210dB，无前置放大器，10-100Hz内的起伏小于3dB。
上述方案中，所述低频或甚低频组合式矢量水听器通过减振系统悬挂于待测导流罩内部。
通过上述技术方案，本发明提供的一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能的评价方法，相较于模型仿真测量方法，此方法能对导流罩实物进行测试，实测方法要比仿真方法结果更加真实；相较于实验室测量方法，此方法可以评价体积较大或者材料参数不确定的导流罩，此类导流罩通常应用于低频或甚低频同振式矢量水听器，且由于本方法在真实环境下进行测量，相较于实验室测量结果更加接近真实情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法流程示意图；
图2为本发明实施例所公开的一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价系统示意图；
图3为PE材料球型导流罩的仿真结果；
图4为不锈钢材料球型导流罩的仿真结果；
图5为PE材料球型导流罩的实测结果；；
图6为不锈钢材料球型导流罩的实测结果；
图7为导流罩A的实测结果；
图8为导流罩B的实测结果。
图中，1、浮体；2、减振连接件；3、待测导流罩；4、低频或甚低频组合式矢量水听器及其减振系统；5、存储系统；6、释放装置；7、重块；8、缆绳，9、声学换能器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法，如图1所示，包括如下过程：
(1)将低频或甚低频组合式矢量水听器安装于待测导流罩内部，通过缆绳顶端连接浮体，底端连接重块，布放于海洋中；
组合形成的评价系统如图2所示，包括浮体1、减振连接件2、待测导流罩3、低频或甚低频组合式矢量水听器及其减振系统4、存储系统5、释放装置6、重块7、缆绳8、声学换能器9。
浮体1为整个系统提供浮力，可以是玻璃浮球，提供浮力小于重块重力。下方通过缆绳8与减振连接件2相连。
减振连接件2由减振弹簧、外壳、环扣等部分组成。整个锚系系统总共两个减振连接件2，其一通过缆绳8安装在浮体1与待测导流罩3之间，隔离来自上方浮体的振动，防止外界振动传导至矢量水听器，影响测量结果。其二通过缆绳8安装在待测导流罩3与释放装置6之间，隔离来自下方的振动。
待测导流罩3可以预先通过仿真获取多种导流罩形式，也可以使用任意的导流罩形式，进行横向评价时，依次安装于评价系统中进行性能比较。待测导流罩预先在上方和下方设置绳扣，分别通过缆绳与两个减振连接件相连。
低频或甚低频组合式矢量水听器及其减振系统4，包括低频或甚低频组合式矢量水听器，建议测量频带在10-100Hz之间，其减振系统包括橡胶条连接件、限位绳、PE材质外框等。低频或甚低频组合式矢量水听器由低频或甚低频声压水听器和低频或甚低频同振式矢量水听器复合而成，可以共点、同步测量声场的声压标量和质点振速矢量。低频或甚低频声压水听器建议采用压电陶瓷作为压电敏感元件，结构为双叠片形式。低频或甚低频同振式矢量水听器建议采用动圈式振速传感器，可以直接测量质点的振速，在待测频带内灵敏度平坦，在三个正交通道方向上的指向性均呈余弦特征。低频或甚低频同振式矢量水听器在测量步骤中，用来接收待测导流罩内部声场的时域垂直振速值vz(t)、时域水平振速值vr(t)。6只性能一致的低频或甚低频声压水听器对称、均匀地布置在低频或甚低频同振式矢量水听器周围，采用并联方式连接，能够降低容抗，提高系统抗干扰能力。低频或甚低频声压水听器在测量步骤中，用来接收待测导流罩内部声场的时域声压值p(t)。声压水听器灵敏度在100Hz处大于-185dB，无前置放大器，10-100Hz内的起伏小于3dB，低频或甚低频同振式矢量水听器灵敏度在100Hz处大于-210dB，无前置放大器，10-100Hz内的起伏小于3dB。低频或甚低频组合式矢量水听器采集信号通过软电缆连接到存储系统中。
减振系统的设计目标是降低结构振动对矢量水听器正常工作带来的负面影响，减振系统由球形PE框架、橡胶皮绳、绳扣组成。低频或甚低频组合式矢量水听器及其减振系统通过对外形、结构、导流罩等进行振动特性仿真分析与试验分析得到结构平台的共振频率、模态振型等参数，将锚系结构的自身共振频率转移到待测频段之外，排除结构平台振动对监测的干扰影响。
低频或甚低频组合式矢量水听器及其减振系统4安装于待测导流罩3内部，待测导流罩3内部共有八个绳扣，上下各四个，对称分布，低频或甚低频组合式矢量水听器及其减振系统4外部也有八个绳扣，位置与待测导流罩3内部绳扣相对应，使用橡胶皮绳将待测导流罩3与低频或甚低频组合式矢量水听器及其减振系统4之间的绳扣进行连接，将低频组合式矢量水听器及其减振系统悬挂于待测导流罩内部的八个绳扣上。
存储系统5包括模拟信号调理模块、数据采集模块、数字信号处理模块、数据存储模块，电源管理模块，耐压外壳、数据接口。其中模拟信号调理模块实现声学信号放大滤波、信号调理等功能。模拟信号调理是水声信号采集处理系统的重要部分，低频或甚低频组合式矢量水听器四路信号进入采集处理子系统之前，要先经过信号调理，将其进行信号放大和滤波处理；数据采集模块，完成模数转换，与数字信号处理器进行传输。数据采集主要功能是完成模数转换，并与数字信号处理器进行接口，信号输入为低频或甚低频组合式矢量水听器信号。数字信号处理模块为数字信号处理算法提供硬件平台，具备高性能低功耗特点，外部扩展多路通信控制接口。数字信号处理硬件部分完成信号处理和辅助信息采集处理。数据存储模块实现数据加密功能，保证存储数据可靠。电源管理模块管理数字电源、模拟电源等多种电源。
释放装置6为两套声学释放器。
重块7为水泥块，作用是将整个系统固定于海底，防止移动。
声学换能器9为低频声学换能器，在待测频带内声源级不低于160dB re 1uPa@1m。通过信号缆与试验船上的功放、信号发生器、电源相连。
选取海域要求：设待测频段为[f1，f2]，其中f1表示待测频段的最低频，f2表示待测频段的最高频，为满足远场条件，海域水深d需要满足
Figure BDA0002436361870000051
其中c为海水声速，一般取1510m/s。假如f1为10Hz，则海域水深至少为1510m。海底平整，假设测试海域深度为d米，设置整个系统的长度为3/4*d米。待测导流罩3设置在距离系统底端d/2米处，保证待测导流罩3在水下时处于整个水深的中间位置，两个减振连接件2设置在距离待测导流罩上下各5m处，释放装置6设置在重块7附近，存储系统5安装在待测导流罩3下方1m处，以上各个组件通过缆绳8连接。将低频或甚低频组合式矢量水听器信号线连接到存储系统5中，并接通电源开始工作。为进行试验比对，提前制作完成任意形式的待测导流罩两套以上。
在无极端天气且海况小于4级条件下，将评价系统按照“之”字形平铺在试验船甲板上，到达试验海域后，首先将浮体下水，其他组件按照顺序依次下水，最后重块下水。并记录评价系统所在位置的GPS信息。
(2)将试验船锚定在与评价系统水平距离d/2到d米之间的位置，下放声学换能器9至水深的中间(d/2米)，循环发射待测频段的脉冲信号24小时，低频或甚低频组合式矢量水听器监测导流罩内部声场的时域垂直振速值vz(t)、时域水平振速值vr(t)和时域声压值p(t)。
脉冲信号宽度要求：脉冲信号时间宽度τ，既要满足容纳所有待测频率的信号，尤其是最低频率信号，所以需要脉冲信号时间宽度足够大；同时，为了避免直达脉冲信号与海面海底的反射信号产生混叠，又需要脉冲信号时间宽度小于直达信号与反射信号的到达时间差。所以基于以上分析，待测频带为[f1，f2]，则脉冲信号时间宽度需要大于等于
Figure BDA0002436361870000061
假如试验海域水深为d，则脉冲信号时间宽度需要小于
Figure BDA0002436361870000062
综上，脉冲信号时间宽度τ需要满足
Figure BDA0002436361870000063
从另一方面，我们也看出此部分对试验海域的深度提出了新的要求，
Figure BDA0002436361870000064
前面提到选取海域要求
Figure BDA0002436361870000065
同时可以满足此处对水深的要求。
脉冲信号形式：脉冲信号为待测频段间隔1Hz的脉冲序列，为防止按顺序前后发射的信号产生混叠，信号发射间隔要远大于脉冲信号时间宽度。为防止直达波与反射波产生混叠，同时信号时间宽度要足够容纳各频率的声信号，尤其是低频信号，我们将所有脉冲信号时间宽度定为待测频段最低频率的一个周期长度，注意所有频率信号都要满足整数个周期，不满足的补零。假如待测频带10-100Hz，首先发射一个周期频率10Hz信号，信号时间宽度为0.1s；信号发射间隔设置为1s，发射信号时间宽度0.1s的11Hz信号，由于11Hz信号的周期为1/11s，约为0.091s，剩余0.009s补零；间隔1s，发射信号时间宽度0.1s的12Hz信号，由于12Hz信号的周期约为0.083s，剩余0.017s补零；停顿1s，以此类推，直至发射信号时间宽度0.1s的100Hz信号，间隔1s，此为一个循环，用时100.1s，为防止潮汐或者周围行船带来的试验误差，循环发射信号24h。
(3)系统回收，更换待测导流罩3，重新布放，并进行相同时间的测试后进行回收，按照相同方法直至完成所有待测导流罩的测试；
(4)将测得的数据进行如下处理：读取存储系统中的时域垂直振速值vz(t)、时域水平振速值vr(t)和时域声压值p(t)，按照待测频段最低频率的周期为时间窗截取直达信号，如上面提到的信号形式，则时间窗口为0.1s，从时域谱图中找到第一个10Hz脉冲到达时刻，将此信号截取出来，在下一个脉冲序列循环，也就是100.1s处，再截取0.1s时域信号，以此类推，截取第一个导流罩对应的所有10Hz时域信号；在第一个10Hz脉冲到达时刻之后1s处，截取0.1s数据，此为11Hz的频域信号，同样，每隔100.1s截取一次，最终获得所有11Hz的时域信号。按照相同的方法获得与待测导流罩相对应的所有频率的脉冲信号，分别对其进行快速傅里叶变换，提取声压、垂直振速、水平振速的频谱值，做平均，得到与待测导流罩对应的所有频率信号的平均声压值p(w)、平均水平振速值vr(w)和平均垂直振速值vz(w)，通过公式
Figure BDA0002436361870000071
计算得到平均振速值v(w)，w为待测频段的频率。代入以下公式声压与振速之间的关系参数Hpv和Jpv：
Figure BDA0002436361870000072
其中，σ为标准差运算符，E为均值运算符，ρ为海水密度，一般取1030kg/m3，c为海水声速，一般取1510m/s。
横向比较各个待测导流罩的Hpv和Jpv值，Hpv和Jpv值越接近0，说明导流罩性能越好。经过长期试验总结，合格的导流罩同时满足Hpv小于5dB和Jpv小于10dB，若数值超过此范围则说明导流罩性能很差，直接排除。若待测多组导流罩Hpv和Jpv的数值同时满足要求，则首先比较Hpv，此值越接近0，说明导流罩性能越好。
案例说明：
使用有限元方法仿真获得分别使用PE材料与不锈钢材料制作的直径1m的球型导流罩，待测频段为20-100Hz，仿真得到了两个导流罩的20*log10(|p(w)|)-20*log10(|ρ*c*v(w)|)值，如图3和图4所示，可以看出PE材质导流罩在带测频段内有共振频率，共振频点在85Hz左右，不锈钢导流罩在此区间的20*log10(|p(w)|)-20*log10(|ρ*c*v(w)|)值随频率变化平滑，在待测频段内无共振频率。
2015年，在南海某海域开展了深海远场声学试验，将以上仿真得到的两种导流罩实物安装在系统中，进行测量，得到20*log10(|p(w)|)-20*log10(|ρ*c*v(w)|)如图5和图6所示，可以看出PE材料导流罩在80Hz左右存在共振现象，而不锈钢导流罩比较平滑，与仿真结果比较吻合，说明此方法是可行的。同时，可以看出导流罩实物的测量共振频率与仿真结果有所偏差，因为导流罩实物与模型会有偏差，模型仿真的方法并不能完全替代实物测量，求出PE材料球形导流罩Hpv为2dB，Jpv为1.5dB，不锈钢材料球形导流罩Hpv为0.6dB，Jpv为2.2dB。Hpv与Jpv值都满足要求，但是不锈钢导流罩Hpv优于PE材料导流罩，说明此球型不锈钢材料导流罩性能优于球型PE材料导流罩。
当然，在实际应用中会有更多材料或者形状的导流罩，由于构成太过复杂，无法进行模型仿真，比如多层松紧布和海绵拼接材料，无法进行模拟仿真，较大型导流罩无法进行实验室测量，我们就可以进行海上测量。2015年，在南海某海域开展了深海远场声学试验，待测导流罩有两套，材质分别为多层松紧布和多层松紧布加海绵，导流罩为异型结构，最长处长度1.5m，属于较大型导流罩。待测频段为20-100Hz。试验第一阶段使用导流罩A，材质为多层松紧布，20*log10(|p(w)|)-20*log10(|ρ*c*v(w)|)值，如图7所示，Hpv为3.3dB和Jpv为14dB。
第二阶段使用导流罩B，在导流罩A基础上覆盖海绵层，试验结果如图8所示Hpv为3.4dB和Jpv为0.5dB。
可以看出，导流罩A的Jpv大于10dB，超过了合理区间，被排除。导流罩B的Hpv和Jpv都在合理区间，所以导流罩B的性能要优于导流罩A，这两种导流罩虽然无法通过参数化的模型仿真和实验室测量进行模拟比较，并且更大量的导流罩无法进行数值仿真与实验室测试分析，利用此方法可以比较其优劣，由此体现了本方法的优越性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法，其特征在于，包括如下过程：
(1)将低频或甚低频组合式矢量水听器安装于待测导流罩内部，通过缆绳顶端连接浮体，底端连接重块，布放于海洋中；
(2)下放声学换能器至指定位置，循环发射待测频段的脉冲信号一定时间，低频或甚低频组合式矢量水听器监测导流罩内部声场的时域垂直振速值vz(t)、时域水平振速值vr(t)和时域声压值p(t)；
(3)系统回收，更换待测导流罩，重新布放，并进行相同时间的测试后进行回收，按照相同方法直至完成所有待测导流罩的测试；
(4)将测得的数据进行如下处理：读取存储系统中的时域垂直振速值vz(t)、时域水平振速值vr(t)和时域声压值p(t)，截取直达信号，进行快速傅里叶变换，提取声压、垂直振速、水平振速的频谱值，做平均，得到与待测导流罩对应的所有频率信号的平均声压值p(w)、平均水平振速值vr(w)和平均垂直振速值vz(w)，通过公式
Figure FDA0002436361860000011
计算得到平均振速值v(w)，w为待测频段的频率；代入以下公式计算声压与振速之间的关系参数Hpv和Jpv：
Hpv＝σ[20*log10(|p(w)|)-20*log10(|ρ*c*v(w)|)]
Jpv＝|E[20*log10(|p(w)|)-20*log10(|ρ*c*v(w)|)]|
其中，σ为标准差运算符，E为均值运算符，ρ为海水密度，c为海水声速，| |表示取绝对值；
横向比较各个待测导流罩的Hpv与Jpv值，Hpv与Jpv值越接近0，说明导流罩性能越好。
2.根据权利要求1所述的一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法，其特征在于，所述待测导流罩底部设有存储系统，待测导流罩两端的缆绳上分别设置减振连接件，重块与缆绳之间设置释放装置。
3.根据权利要求1所述的一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法，其特征在于，所述低频或甚低频组合式矢量水听器包括低频或甚低频声压水听器和低频或甚低频同振式矢量水听器，所述低频或甚低频声压水听器用于接收待测导流罩内部声场的时域声压值p(t)，低频或甚低频同振式矢量水听器用于接收待测导流罩内部声场的时域垂直振速值vz(t)和时域水平振速值vr(t)。
4.根据权利要求3所述的一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法，其特征在于，所述低频或甚低频声压水听器包括性能一致的6只，对称均匀地布置在低频或甚低频同振式矢量水听器周围，采用并联方式连接。
5.根据权利要求4所述的一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法，其特征在于，所述低频或甚低频声压水听器灵敏度在100Hz处大于-185dB，无前置放大器，10-100Hz内的起伏小于3dB，低频或甚低频同振式矢量水听器灵敏度在100Hz处大于-210dB，无前置放大器，10-100Hz内的起伏小于3dB。
6.根据权利要求1所述的一种低频或甚低频组合式矢量水听器导流罩性能评价方法，其特征在于，所述低频或甚低频组合式矢量水听器通过减振系统悬挂于待测导流罩内部。
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