CN111586546A - 一种低频换能器谐振点发射响应的测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低频换能器谐振点发射响应的测量方法和系统，该方法及相应系统涉及自由场换能器水声测量领域，主要用于水声换能器发射参数的宽带测量。本发明首先建立发射换能器与标准水听器的线性幅度和相位响应系统，并建立信号的时间与频率关系。对标准水听器接收到的开路电压信号和发射电流与电压信号进行相位修正，得到系统的传递函数。根据发射换能器的响应特性，对发射换能器的频率响应进行预估，得到预估函数s(f)，然后利用预估函数对系统传递函数进行多次迭代的积分平均处理，消除水池混响以及噪声产生的影响。最终利用传递函数得到发射换能器的发射电流响应和发射电压响应，实现发射换能器谐振点处发射参数的测量。

Description

一种低频换能器谐振点发射响应的测量方法和系统

技术领域

本发明属于水声测量技术领域，具体涉及一种低频换能器谐振点发射响应的测量方法和系统。

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。自由场是最接近换能器、水听器等水声设备实际工作环境的声场，因此，自由场校准的研究对保障水声换能器和水听器的研制和实际应用具有重要作用。

长期以来，发射换能器发射电流响应与发射电压响应(可以简称为换能器的发射响应)是评价换能器性能最常用的技术指标。对于低频换能器而言，为了在低频达到较高的声源级，通常需要其工作在谐振点附近。当换能器工作在谐振点附近时，其频率响应通常较高，并且谐振点与附近的其他频点的频率响应差别较大，因此需要对低频换能器谐振点附近及两边频带内的发射响应进行测量。

目前，低频换能器的发射响应可以在湖泊和海洋中进行外场测量，这种外场试验通常在开阔的水域中进行，周围有较小的反射体，比较接近换能器实际工作的自由场环境。但是这种测量方法需要在湖上和海上建立相应配套的调放和固定装置，人力和物力成本较高。同时，这种外场实验在测量时通常伴随着较大的背景噪声，这对测量的准确度产生了较大的影响。为了方便测量，目前人们通常在实验室中建立消声水池，用来模拟发射换能器工作的自由场环境。消声水池的体积有限，为了消除水池边界和水面带来的反射，消声水池的五个表面及水面通常铺设消声尖劈，在消除反射波的同时，可以降低水池的混响。在换能器发射响应的测量中，脉冲声技术一直是水下电声参数测量中最为常用的技术手段，该方法通过发射有限周期的单频脉冲信号，可以在时间上将直达信号和反射信号进行分离，以降低水池边界反射对测量产生的影响。

对于低频发射换低频测量而言，目前存在两个方面的问题：1)由于受到有限水域空间的限制，无法开展换能器的低频测量；2)在谐振点附近，由于换能器的频率响应变化较为剧烈，若想得到发射换能器在谐振点处的频率响应，需要对其进行逐点测量，这样测量不仅误差较大，而且用普通脉冲信号进行测量时，比较浪费时间。

发明内容

针对目前发射换能器低频测量方法存在的不足，解决低频发射换能器发射响应测量的问题，本发明提供了一种低频换能器谐振点发射响应的测量方法和系统，能够实现低频换能器发射响应测量，可以在有限水域中实现低频发射换能器谐振点附近发射参数的宽带测量，直接得到发射换能器在整个频段的频率响应。同时，结合发射换能器先验函数估计和多次迭代与积分平均方法，消除由于积分平均造成的发射换能器发射响应曲线畸变，提升低频发射换能器发射响应测量精度。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。本发明公开了一种换能器低频宽带发射响应的测量方法，主要包括以下步骤：

(1)根据测量频率范围，利用信号发射器产生具有一定带宽并且相互正交的线性扫频信号F_sin和F_cos，并将该信号通过线性功率放大器进行功率放大；

(2)通过功率放大后的正交信号激励低频发射换能器在水下产生声信号；

(3)宽带灵敏度为M₀(f)的标准水听器在水下与发射换能器位于同一深度，并且与发射换能器的距离为d₀，该标准水听器分别接收发射换能器在水下产生的正交声信号，并在末端输出开路电压信号U_s0和U_c0；

(4)通过电流电压取样器对激励发射换能器的发射正交电流信号和发射正交电压信号进行取样，并按照电流取样α：1和电压取样β：1的比例将正交电流信号和正交电压信号都转换为电压信号进行输出，取样后的发射正交电压信号分别为U_Vs和U_Vc，取样后的发射正交电流信号为U_Is和U_Ic(发射电流信号以电压的形式输出，输出电流与电压的比为α：1)；

(5)将步骤(3)和步骤(4)中采集到的数据存储到PXI控制器或计算机中，并根据发射与接收所构成的线性响应系统对电压信号和电流信号进行相位修正，保证发射信号与接收信号的一一对应关系；

(6)重复上述步骤n次，得到的n组信号进行非相干平均处理，用以在低频消除噪声的影响，得到对应的水听器正交开路电压信号U′_s0和U′_c0、发射换能器发射正交电压信号U′_Vs和U′_Vc和发射正交电流信号U′_Is和U′_Ic；

(7)利用步骤(6)得到的信号数据，根据式(1)构造复数信号，得到其随频率变化的响应：

(8)根据发射换能器的性能，估计频率响应函数s(f)，同时利用该预估函数和窗函数对系统的传递函数进行多次积分平均处理，消除水池混响所带来的影响，逐渐逼近发射换能器的真实频率响应曲线，得到传递函数的宽带频率响应；

(9)利用式(2)和式(3)得到待测发射换能器的宽带发射电流响应级S_I和宽带发射电压响应级S_V：

其中，M₀(f)为标准水听器的宽带灵敏度级；α为发射电流取样系数；β为发射电压取样系数；d₀为发射换能器和标准水听器的距离。

进一步地，正交线性扫频信号的表达式为：F_sin＝sin(2πf₀t+sπt²)和F_cos＝cos(2πf₀t+sπt²)，其中，s为扫频率，s＝(f_x-f₀)/t₁，f₀为起始频率，f_x为终止频率，t₁为从f₀变化到f_x所用的扫频时间，此时信号的时间和频率的关系可以表示为：f＝f₀+s×t(0≤t≤t₁)。

进一步地，所述步骤(8)中，将整个系统抽象成一个输入和输出函数，输入信号分别为

输出信号为

此时系统的传递函数分别为

和

所述步骤(8)中，对发射换能器的低频发射响应进行预估，假设换能器发射响应的预估曲线为s(f)，它是一个随频率变化的曲线，并且其带宽特性符合被测发射换能器的频率响应特性，然后系统的传递函数

和

和预估曲线s(f)作为一个整体在带宽Δf_wi内进行积分平均处理，即：

其中，Δt_di为第i个反射波对应的时间延迟，取最小的两个时间延迟；Δf_wi为第i个积分平均矩形窗的宽度，Δf_wi＝1/Δt_di；

此时，经过1次积分平均后的系统传递函数表示为：

其中，

为经过一次迭代逼近后，换能器发射电流与水听器开路电压的传递函数；

为经过一次迭代逼近后，换能器发射电压与水听器开路电压的传递函数；

此时，令

构成新的预估函数，并代入到式(4)和(5)中，得到

和

再代入式(6)，得到

和

再令

构成新的预估函数，再次代入到式(4)、(5)和(6)中，然后得到

和

……，以此类推；由于发射电流传递函数和发射电压传递函数的响应不同，这两个传递函数分别迭代m次和k次，最终得到传递函数

和

此时传递函数无限接近于真实值，这两个传递函数迭代次数满足以下条件：

进一步地，将得到传递函数代入式(2)和式(3)中，计算发射换能器的发射电流响应和发射电压响应。

本发明所述步骤(9)中水听器的灵敏度必须经过宽带校准，否则无法实现换能器的宽带测量。同时，水听器的宽带灵敏度都是通过离散化来实现的，即相邻频点的频率差为Δf。因此，需要保证离散化后的宽带响应覆盖发射换能器的测试频率范围，并且频率分辨力与M₀(f)的分辨力相同，若两者出现不同，需要对M₀(f)做插值和抽样处理。

本发明同时公开了一种低频换能器谐振点发射响应的测量系统，系统构成包括以下设备：信号发射器、线性功率放大器、电流电压取样器、发射换能器、水池、水听器、电子开关、前置放大器、滤波器、数据采集与存储单元、PXI控制器或计算机；其中，水听器在水下与发射换能器位于水池的同一深度，信号发射器通过线性功率放大器、电流电压取样器与发射换能器相连接；水听器通过电子开关、前置放大器、滤波器、数据采集与存储单元和PXI控制器或计算机相连接；电流电压取样器对激励发射换能器的发射正交电流信号和发射正交电压信号进行取样输出至电子开关。

对于测量系统，整个系统为线性系统，幅度偏差不超过1％，相位偏差不超过1°。

本发明的有益效果为：

a)可以在自由场中实现发射换能器的发射电流响应和发射电压响应的低频测量，消除水域边界低频反射对测量产生的影响；

b)通过发射宽带线性扫频信号，可以实现发射换能器的宽带测量；

c)通过对发射换能器发射响应曲线先验估计和多次叠带，可以消除由于积分平均对发射换能器谐振点附近发射响应测量产生的影响。

附图说明

图1一种低频换能器谐振点发射响应的测量系统结构框图；

图2系统等效传递函数框图；

图3发射换能器发射响应曲线图；

图4测量结果偏差曲线。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明为一种低频换能器谐振点发射响应的测量方法和系统，其测量系统如图1所示，测量系统中仪器设备构成及要求如下：(1)可以发射相互正交线性扫频信号的信号发射器1(任意函数发生器)，并且在测量频带内具有平坦的频率响应；(2)线性功率放大器2，该功率放大器在测量频带对输入电压和输入电流的幅度和相位内具有线性响应；(3)前置放大器8，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；(4)滤波器9，该滤波器的滤波频率范围覆盖测量频率范围，带外衰减不小于48dB/oct；(5)电流电压取样器3，电流电压取样器具有线性幅度和相位响应，并且幅度相应可调；(6)数据采集与存储单元10，该数据采集系统具有双通道，并且采样率大于10倍被测宽带信号的最高频率，双通道的一致性偏差不高于1％；(7)电子开关7，具有四通道选通功能，并且通道之间的隔离度大于80dB；(8)PXI控制器或计算机11，用于产生测量所需要的复数扫频信号。其中，水听器6在水下与发射换能器4位于水池5的同一深度，信号发射器1通过线性功率放大器2、电流/电压取样器3与发射换能器4相连接；水听器6通过电子开7关、前置放大器8、滤波器9、数据采集与存储单元10和PXI控制器或计算机11相连接；电流/电压取样器3对激励发射换能器4的发射正交电流信号和发射正交电压信号进行取样输出至电子开关7。

本发明一种低频换能器谐振点发射响应的测量方法，具体实施方式包括以下步骤：

(1)首先需要对测量所需要的标准水听器进行宽带校准，其测量的频率范围覆盖换能器发射响应的频率范围，标准水听器的灵敏度级表示为M₀(f)，测量不确定度不大于0.7dB。

(2)在测量前需要布置测量声场，为了能够尽可能降低测试频率，发射换能器与标准水听器应远离水池水面与水池边界。发射换能器与标准水听器位于水下同一深度，发射换能器的主波束中心对准标准水听器的球心(声中心)，发射换能器主波束等效声源与标准水听器的声中心的距离为d₀。

(3)功率放大器发射电流和电压与水听器开路电压存在线性关系，并把它抽象成一个线性时不变系统，如图2所示。发射电流和发射电压在二端网络中，经历了电声转换(A1(f))、声波传输和声电转换(A2(f))的过程。其中声波在声场中传播的过程中出现了线性幅度变化和相移，幅度和相位的变化主要由传播距离损失和标准水听器的灵敏度所引起的。为了保证发射电流与发射电压和水听器接收的电压在时间和频率上一一对应，这里需要对其进行相位修正。声波在水中传播会产生时间延迟，该延迟时间为：t₀＝d₀/c，其中，d₀为发射换能器与水听器的距离，c为水中声波的声速，该声速可以通过查表获得。幅度增量G的修正值为＝1/d₀；而相位偏移则需要根据该延迟时间对输入信号和输出信号进行修正，假设数据采集系统的采样率为s，则相移修正点数为N＝s×t₀；

(4)通过发射换能器与水听器的在水池中的空间位置估算反射波延迟时间，反射波延迟时间为t_i＝d_i/c，其中d_i为第i个反射波与水听器的声程，该声程差可以通过虚源法计算得到，进而得到第i个反射波与直达波的时间差Δt_i＝t_i-t₀，t₀为上述声波延迟时间，通常i取1～2。

(5)计算机控制信号源分别发射相互正交的线性扫频信号，两组信号的表达式分别为S_sin＝sin(2πf₀t+sπt²)和S_cos＝cos(2πf₀t+sπt²)，其中，s＝(f_x-f₀)/t₁，f₀为起始频率，f_x为终止频率，t₁为扫频时间。该信号通过功率放大器激励发射换能器在水下产生线性扫频信号。水听器接收该声信号，并在末端输出开路电压信号，开路电压信号通过前置放大器进行阻抗匹配和前置放大及滤波器滤波后，输出相互正交的开路电压信号U_0c和U_0s，并输入到数据采集系统进行数据采集和保存。同时，通过电流电压取样器对激励功率放大器的发射电流信号和开路电压信号按照α：1和β：1进行取样，分别得到发射电流信号U_Ic和U_Is和发射电压信号U_Vc和U_Vs。

(6)重复执行步骤(5)n次后，得到n组信号，并对得到的n组信号进行非相干平均处理，用以在低频消除噪声的影响，得到对应的正交信号U′_s0和U′_c0(水听器开路电压)、U′_Vs和U′_Vc(发射电压信号)和U′_Is和U′_Ic(发射电流信号)。

(7)将经过步骤(6)中得到信号经过步骤(3)进行相位修正后的信号进行复数处理，得到对应的复数信号，并且通过扫频率和时间的关系得到其对应的频率响应，时间和频率的关系可以表示为f＝s×t。由于采集系统采集的数据都是离散化的点，这里采集系统的采样率为f_s，则采样点数N＝f_s×t。此时对应的频率间隔为Δf＝f/N；

(8)由前面的线性系统可以得到系统传递函数表达式，如式(4)和(5)所示。这里传递函数不仅含有直达波，还包含了相应的本底噪声和反射波。

(9)直接得到的系统关于电压和电流的传递函数包含了水池混响的影响，需要对其进行积分平均处理。但是，由于低频发射换能器的带宽通常较窄，这就导致了积分平均后得到的发射响应曲线失真较大。这里首先对传递函数进行先验估计，得到先验估计函数s(f)，s(f)的频率间隔为Δf。采用迭代的方法对传递函数进行积分平均处理，得到发射换能器与接收水听器之间自由场的传递函数。

本发明所述方法得到的系统传递函数与直接连续扫频信号测量结果及普通积分平均方法得到的结果比较如图3所示。在图中，给定了一条发射换能器与水听器的传递函数曲线，该传递函数在约500Hz频点存在一个谐振峰。当直接用连续扫频信号进行测量时，由于受到水池边界反射波和水池本底噪声的影响，该曲线与原来的给定曲线具有较大差异，并且伴随有较大的噪声影响，特别是在谐振点处，会有非常明显的起伏；相比较而言，使用普通的积分平均方法时，可以一定程度上消除在谐振点处的偏差，但是与发射换能器与水听器实际的传递函数仍然具有一定的偏差；使用本发明所述方法后，传递函数的畸变得到了明显的好转，其响应曲线基本与真实曲线一致。图4中给出了经过两种处理方法后的传递函数响应曲线偏差，从图中可以看出，采用本发明的方法处理后，整个频段的偏差小于0.5dB，远优于普通的积分平均方法，这充分说明该方法在测量发射换能器传递函数的方面具有较好的测量精度。

(10)为了得到低频发射换能器的低频自由场宽带响应，这里需要对测量好的标准水听器灵敏度宽带响应进行处理。在实际测量中，不可能直接到标准水听器的宽带响应，都要通过离散化将水听器的宽带响应表示成离散点的形式，这就导致了

和

与M₀(f)由于离散化程度不同，将对应不同的离散点，并且其离散点的间距存在差异，因此需要将M₀(f)进行差值和抽样，使其的频率间隔为Δf，并且所有离散化频点要与

和

相一致。

(11)将标准水听器M₀(f)重新离散化后，代入式(2)和式(3)中得到发射换能器自由场宽带发射响应。

整套装置除可用于低频发射换能器发射参数的测量，还可用于发射换能器其他频段的测量。同时，该系统不仅仅局限于实验室水池中换能器的测量，还可用于外场试验的换能器测量，具有较广泛的应用。

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 (8)

1.一种低频换能器谐振点发射响应的测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)根据测量频率范围，利用信号发射器产生具有一定带宽并且相互正交的线性扫频信号F_sin和F_cos，并将该信号通过线性功率放大器进行功率放大；

(2)通过功率放大后的正交信号激励低频发射换能器在水下产生声信号；

(3)宽带灵敏度为M₀(f)的标准水听器在水下与发射换能器位于同一深度，并且与发射换能器的距离为d₀，该标准水听器分别接收发射换能器在水下产生的正交声信号，并在末端输出开路电压信号U_s0和U_c0；

(4)通过电流电压取样器对激励发射换能器的发射正交电流信号和发射正交电压信号进行取样，并按照电流取样α：1和电压取样β：1的比例将正交电流信号和正交电压信号都转换为电压信号进行输出，取样后的发射正交电压信号分别为U_Vs和U_Vc，取样后的发射正交电流信号为U_Is和U_Ic，发射电流信号以电压的形式输出，输出电流与电压的比为α：1；

(5)将步骤(3)和步骤(4)中采集到的数据存储到PXI控制器或计算机中，并根据发射与接收所构成的线性响应系统对电压信号和电流信号进行相位修正，保证发射信号与接收信号的一一对应关系；

(6)重复上述步骤n次，得到的n组信号进行非相干平均处理，用以在低频消除噪声的影响，得到对应的水听器正交开路电压信号U′_s0和U′_c0、发射换能器发射正交电压信号U′_Vs和U′_Vc和发射正交电流信号U′_Is和U′_Ic；

(7)利用步骤(6)得到的信号数据，根据式(1)构造复数信号，得到其随频率变化的响应：

(8)根据发射换能器的性能，估计频率响应函数s(f)，同时利用该预估函数和窗函数对系统的传递函数进行多次积分平均处理，消除水池混响所带来的影响，逐渐逼近发射换能器的真实频率响应曲线，得到传递函数的宽带频率响应；

(9)利用式(2)和式(3)得到待测发射换能器的宽带发射电流响应级S_I和宽带发射电压响应级S_V：

其中，M₀(f)为标准水听器的宽带灵敏度级；α为发射电流取样系数；β为发射电压取样系数；d₀为发射换能器和标准水听器的距离。

2.根据权利要求1所述的低频换能器谐振点发射响应的测量方法，其特征在于：所述的相互正交的线性扫频信号的表达式为：F_sin＝sin(2πf₀t+sπt²)和F_cos＝cos(2πf₀t+sπt²)，其中，s为扫频率，s＝(f_x-f₀)/t₁，f₀为起始频率，f_x为终止频率，t₁为从f₀变化到f_x所用的扫频时间，此时信号的时间和频率的关系表示为：f＝f₀+s×t(0≤t≤t₁)。

3.根据权利要求1所述的低频换能器谐振点发射响应的测量方法，其特征在于：所述步骤(8)中，将整个系统抽象成一个输入和输出函数，输入信号分别为

和

输出信号为

此时系统的传递函数分别为

和

4.根据权利要求1所述的低频换能器谐振点发射响应的测量方法，其特征在于：所述步骤(8)中，对发射换能器的低频发射响应进行预估，假设换能器发射响应的预估曲线为s(f)，它是一个随频率变化的曲线，并且其带宽特性符合被测发射换能器的频率响应特性，然后系统的传递函数

和

和预估曲线s(f)作为一个整体在带宽Δf_wi内进行积分平均处理，即：

其中，Δt_di为第i个反射波对应的时间延迟，取最小的两个时间延迟；Δf_wi为第i个积分平均矩形窗的宽度，Δf_wi＝1/Δt_di；

此时，经过1次积分平均后的系统传递函数表示为：

其中，

为经过一次迭代逼近后，换能器发射电流与水听器开路电压的传递函数；

为经过一次迭代逼近后，换能器发射电压与水听器开路电压的传递函数；

此时，令

构成新的预估函数，并代入到式(4)和(5)中，得到

和

再代入式(6)，得到

和

再令

构成新的预估函数，再次代入到式(4)、(5)和(6)中，然后得到

和

……，以此类推；由于发射电流传递函数和发射电压传递函数的响应不同，这两个传递函数分别迭代m次和k次，最终得到传递函数

和

此时传递函数无限接近于真实值，这两个传递函数迭代次数满足以下条件：

5.根据权利要求4所述的低频换能器谐振点发射响应的测量方法，其特征在于：将得到传递函数代入式(2)和式(3)中，计算发射换能器的发射电流响应和发射电压响应。

6.根据权利要求1所述的低频换能器谐振点发射响应的测量方法，其特征在于：所述步骤(9)中水听器的灵敏度必须经过宽带校准，水听器的宽带灵敏度都是通过离散化来实现的，即相邻频点的频率差为Δf，需要保证离散化后的宽带响应覆盖发射换能器的测试频率范围，并且频率分辨力与M₀(f)的分辨力相同，若两者出现不同，需要对M₀(f)做插值和抽样处理。

7.一种低频换能器谐振点发射响应的测量系统，其特征在于：系统构成包括以下设备：信号发射器、线性功率放大器、电流电压取样器、发射换能器、水池、水听器、电子开关、前置放大器、滤波器、数据采集与存储单元、PXI控制器或计算机；其中，水听器在水下与发射换能器位于水池的同一深度，信号发射器通过线性功率放大器、电流电压取样器与发射换能器相连接；水听器通过电子开关、前置放大器、滤波器、数据采集与存储单元和PXI控制器或计算机相连接；电流电压取样器对激励发射换能器的发射正交电流信号和发射正交电压信号进行取样输出至电子开关。

8.根据权利要求7所述的低频换能器谐振点发射响应的测量系统，其特征在于：整个系统为线性系统，幅度偏差不超过1％，相位偏差不超过1°。

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