CN111780852A - 一种实时测量低频换能器深海性能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时测量低频换能器深海性能的装置及方法，涉及水声换能器领域，该装置由电子仓、电池舱、监听水听器等组成，各组件集成于浮力框架内；装置主体下设挂点，用于挂载待测换能器；装置上下还设有承力点，可使用船载绞车将装置主体及换能器放至指定深度，或者通过额外的系留装置以潜标的形式布放至指定深度。本装置使用灵活，由电子系统驱动发射换能器工作，通过深度传感器记录实时深度信息，通过读取同一时刻监听水听器开路电压值，建立深度‑监听水听器信号‑发射换能器声源级的映射关系，可实现低频、大尺寸换能器深海高静水压条件下性能的准确测试，解决了以往无法准确获取低频换能器实际深水性能的难题。

Description

一种实时测量低频换能器深海性能的装置及方法

技术领域

本发明涉及水声换能器的领域，具体涉及一种实时测量低频换能器深海性能的装置及方法。

背景技术

水中声波信号的传播损失与工作频率紧密相关，频率越高则吸收衰减系数越大，传输距离越短。反过来说，传输距离越远，则要求工作频率越低，工作带宽越窄，通信速率越低。声波在水中(包括海水)的衰减与频率的平方成正比，声波频率从0.5kHz上升到1kHz，距离100km的吸收衰减从2.5dB增大到7.4dB，而7kHz频率的吸收衰减更是达到了63dB。可见，采用数百赫兹频段声波作为信息传送的载体是目前海中实现超远距离通信、探测的唯一手段。深海低频换能器的性能稳定性是影响低频声纳系统使用效果的主要因素，深海环境具有高静水压和低温两大特点，受材料特性、结构形式等因素的影响，换能器的声学性能随压力升高、温度降低往往发生变化，严重时会发生频率飘移、阻抗升高、响应下降等情况，导致声纳系统发射信号的声源级降低、频率成分变化，直接影响系统功能实现。

换能器在深海环境下的实际性能对设计深海声学系统有重要意义。对于体积较小、频率较高的换能器，可设计耐高静水压消声水池进行测试，当采用常规的脉冲声技术测量时，高压消声水池的测量频率下限较高，通常在(2～3)kHz以上。而对于体积较大、频率较低的换能器(特别是1kHz以下频段)，吸声材料在低频率、高静水压条件下性能较差，密闭容器内声场散射叠加影响严重，不具备自由场远场测量条件，无法采用常规的脉冲声测量方法测试其声学性能。关于深海(高静水压)条件下的低频发射换能器测试方法少见相关报道，“CN102997988大型潜标矢量水听器低频声学指向性的水池测试方法”提出对矢量水听器指向性的常压水池测量方法；“CN103743469A压电水声换能器声辐射模态测量方法及系统”提出基于近场声全息的声辐射模态测量方法，是从声辐射模态这一角度分析评估换能器性能，并未解决高静水压下低频换能器性能测试问题；“CN108007552A一种高静水压下水声发射换能器声学性能测量方法”提出在透光压力水罐中，利用光学方法测量换能器质点振速从而获取声学性能的方法，但该方法其目的是解决传统测试方法中接收水听器本身灵敏度随压力变化的问题，对于高压密闭容器系统自身的测试截止频率下限拓展并无帮助，依然无法解决低频/甚低频发射换能器深水性能测试的难题；

对于低频发射换能器深海性能测量问题，可供考虑的一种解决方法是通过特殊设计的测量算法，大幅减小或者消除反射声波对直达声波的影响，模拟自由场水声环境，从而获得换能器低频声学参数。如专利“CN105652263B一种水声发射器声源级非自由场时反聚焦测量方法”是根据声传播的时反互易性原理，降低测量环境边界导致的混响对测量信号的影响，其测试结果需进行修正方可与传统的换能器测量方法比较，而修正需将待测发射换能器替换成标准发射换能器，但标准发射换能器在深水环境下的性能也难以准确测量，造成其方法的局限性。总体上，该类方法本身存在一定的局限性，有的算法对测试声场有明确的要求，有的对装夹定位装置等辅助设施有特殊要求，使用类似方法测试结果与换能器实际性能存在一定的差异，且无法准确模拟深海低温环境。另一种解决方法是构建深海自容式测试平台，搭载船只释放至指定深度进行实际深度下性能测试，本发明即是采用了该种方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种实时测量低频换能器深海性能的装置及方法，可开展各种类型的大尺寸低频换能器深水性能测试。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：一方面本发明提供了一种实时测量低频换能器深海性能的装置，包括浮力框架，所述浮力框架内设置由电子仓和电池仓组成的电子系统，在浮力框架下方悬挂设置有低频发射换能器(即为待测发射换能器)并由电子系统驱动控制；用于采集待测发射换能器所发出的声压信号的监听水听器和用于采集水深信息的深度传感器设置在浮力框架上，两者将采集的数据输入电子系统内存储；所述电子仓内集成有主控电路、功放电路、时钟源电路、采集电路、集成电路，电池仓内集成有供能系统。

作为进一步的技术方案，所述浮力框架采用耐高静水压浮力材料，便于装置的运输和释放回收；所述浮力框架和低频发射换能器上设置有承力点便于装置整体布放。

作为优选的技术方案，所述浮力框架上的承力点内穿入收放缆绳，通过固定在船甲板上的收放绞车及收放架实现整个装置的收放。

作为优选的技术方案，所述浮力框架上的承力点内穿入上端系留绳索，所述低频发射换能器上的承力点内穿入下端系留绳索，上下端系留绳索上设置有若干打捞浮球组，在下端系留绳索尾部设置由声学释放器控制的水泥锚实现整个装置的收放。

另一方面，本发明提供一种实时测量低频换能器深海性能的方法，包括以下步骤：

1)组装实时测量低频换能器深海性能装置；

2)用常规方法在水声计量站进行水池或湖上测量，同时建立发射源级与监听水听器开路电压值的对应关系；

3)将装置放至指定工作深度，通过读取同一时刻监听水听器开路电压值，建立深度-监听水听器信号-发射换能器声源级的映射关系，最终获得不同深度下低频发射换能器的实际深水性能；

4)将整套装置打捞回收，完成测试。

作为进一步的技术方案，所述步骤3)中，可使用船载绞车将装置主体放至指定深度，也可通过系留装置以潜标的形式布放。

作为进一步的技术方案，所述步骤4)中，由收放绞车及收放架回收测试装置；或者由声学释放器发送指令，使其与水泥锚脱钩，在整套装置自由浮出水面后打捞回收。

本发明的有益效果为：

1、本装置可实现低频、大尺寸换能器深海高静水压条件下性能的准确测试，解决了以往无法准确获取低频换能器实际深水性能的难题，待测换能器悬挂于装置主体下方，不受装置本身尺寸限制，可完成各种尺寸规格的低频换能器测试；

2、本装置使用灵活，采用自容式供电，无需依赖母船电力支持(也可通过电缆依赖船载供电)，既可使用船载绞车将装置主体及换能器放至指定深度，也可通过系留装置以潜标的形式布放。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为使用船载绞车布放时的系统结构示意图。

图3为使用潜标形式布放时的系统结构示意图。

附图标记说明：浮力框架1-1、低频发射换能器1-2、监听水听器1-3、深度传感器1-4、船甲板2-1、收放绞车2-2、收放缆绳2-3、收放架2-4、打捞浮球组3-1、上端系留绳索3-2、下端系留绳索3-5、声学释放器3-6、水泥锚3-7。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

实施例：如附图1所示，这种实时测量低频换能器深海性能的装置，包括浮力框架1-1，所述浮力框架1-1内设置由电子仓和电池仓组成的电子系统，在浮力框架1-1下方悬挂设置有低频发射换能器1-2并由电子系统驱动控制(可灵活更换不同频率、工作深度以及声学性能的发射换能器)；用于采集待测发射换能器所发出的声压信号的监听水听器1-3和用于采集水深信息的深度传感器1-4设置在浮力框架1-1上，两者将采集的数据输入电子系统内存储；所述电子仓内集成有主控电路、功放电路、时钟源电路、采集电路、集成电路，电池仓内集成有供能系统；所述浮力框架1-1采用耐高压浮力材料，为整套装置提供浮力便于装置的运输和释放回收；所述浮力框架1-1和低频发射换能器1-2上设置有承力点便于装置整体布放。

如附图2所示，所述浮力框架1-1上的承力点内穿入收放缆绳2-3，通过固定在船甲板2-1上的收放绞车2-2及收放架2-4实现整个装置的收放。

如附图3所示，所述浮力框架1-1上的承力点内穿入上端系留绳索3-2，所述低频发射换能器1-2上的承力点内穿入下端系留绳索3-5，上下端系留绳索3-2、3-5上设置有若干打捞浮球组3-1，在下端系留绳索3-5尾部设置由声学释放器3-6控制的水泥锚3-7实现整个装置的收放。

采用上述实时测量低频换能器深海性能装置的方法，包括以下步骤：

1)根据预期的使用条件开展设计，如根据最大工作深度确定电子仓、电池仓等耐压仓体的尺寸，可使用有限元软件等进行高静水压下应力应变分析，以确保具有足够的工程余量；

2)根据待测换能器的技术参数(如工作频率区间、阻抗特性等)，确定电路匹配参数以及所需的电功率，设计驱动功放，并根据有效测试时间、使用频次等指标得出装置总功耗，以此为依据选择供能系统，例如选用铅酸蓄电池或锂电池，根据总功率的需求确定电池组数量；

3)结合测试目标设计电子系统，实现测试装置的时钟源控制、电源供给、发射信号产生及功放驱动等，电子系统设计有一路水听器采集系统，通过监听水听器1-3对待测低频发射换能器1-2发射信号进行采集存储，并同步通过深度传感器1-4获取实际工作深度信息；

4)对监听水听器1-3进行校准，获取水听器自身灵敏度随水深变化情况，水听器的尺寸较小，可通过耐高静水压消声容器进行测试，例如，国防水声计量一级站建有“高静压水声声压耦合腔法标准装置”，用于校准高静水压下的低频接收灵敏度(一般地，采用敏感元件柔性支撑、内部充液等方案设计的耐高静水压水听器，深水性能变化在1dB以内)；

5)设备集成后，将待测低频发射换能器1-2挂载在测试装置下方，用水密连接器接入电子仓，然后在计量站消声水池(或湖上)完成校准，建立发射源级与监听水听器开路电压值的对应关系；

6)将本装置放至指定工作深度，可使用船载绞车将装置主体及低频发射换能器1-2放至指定深度，也可通过系留装置以潜标的形式布放；由电子系统驱动低频发射换能器1-2工作，通过深度传感器1-4记录实时深度信息，通过读取同一时刻监听水听器开路电压值，建立深度-监听水听器信号-发射换能器声源级的映射关系，最终获得不同深度下低频发射换能器1-2实际深水性能；

7)测试完毕后，由收放绞车2-2及收放架2-4回收测试装置；或者由声学释放器3-6发送指令，使其与水泥锚3-7脱钩，在整套装置自由浮出水面后打捞回收。

实际应用中，我们在某课题进行了两种类型的换能器深水性能测试比对，使用测试装置分别搭载两种类型的低频换能器布放至1000米水深，测试了450H附近频段的低频声信号发射效果，将1000米深度下声源级与50米深度相比，其中一种换能器变化小于1dB，另一种换能器变化约10dB。可见，该装置的使用有助于评估低频发射换能器的实际深海工作性能，为海洋仪器装备的设计选型提供佐证。

本发明将低频发射换能器1-2独立悬挂于装置主体下方，不受装置本身尺寸限制，可完成各种尺寸规格的低频换能器测试；同时，本装置可通过船载绞车或系留装置两种方式进行布放使用灵活。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种实时测量低频换能器深海性能的装置，其特征在于：包括浮力框架(1-1)，所述浮力框架(1-1)内设置由电子仓和电池仓组成的电子系统，在浮力框架(1-1)下方悬挂设置有低频发射换能器(1-2)并由电子系统驱动控制；用于采集待测发射换能器所发出的声压信号的监听水听器(1-3)和用于采集水深信息的深度传感器(1-4)设置在浮力框架(1-1)上，两者将采集的数据输入电子系统内存储；所述电子仓内集成有主控电路、功放电路、时钟源电路、采集电路、集成电路，电池仓内集成有供能系统。

2.根据权利要求1所述的实时测量低频换能器深海性能的装置，其特征在于：所述浮力框架(1-1)采用耐高静水压浮力材料，便于装置的运输和释放回收；所述浮力框架(1-1)和低频发射换能器(1-2)上设置有承力点便于装置整体布放。

3.根据权利要求2所述的实时测量低频换能器深海性能的装置，其特征在于：所述浮力框架(1-1)上的承力点内穿入收放缆绳(2-3)，通过固定在船甲板(2-1)上的收放绞车(2-2)及收放架(2-4)实现整个装置的收放。

4.根据权利要求2所述的实时测量低频换能器深海性能的装置，其特征在于：所述浮力框架(1-1)上的承力点内穿入上端系留绳索(3-2)，所述低频发射换能器(1-2)上的承力点内穿入下端系留绳索(3-5)，上下端系留绳索(3-2、3-5)上设置有若干打捞浮球组(3-1)，在下端系留绳索(3-5)尾部设置由声学释放器(3-6)控制的水泥锚(3-7)实现整个装置的收放。

5.一种实时测量低频换能器深海性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)组装实时测量低频换能器深海性能装置；

2)用常规方法在水声计量站进行水池测量，同时建立发射源级与监听水听器(1-3)开路电压值的对应关系；

3)将装置放至指定工作深度，通过读取同一时刻监听水听器(1-3)开路电压值，建立深度-监听水听器信号-发射换能器声源级的映射关系，最终获得不同深度下低频发射换能器(1-2)的实际深水性能；

4)将整套装置打捞回收，完成测试。

6.根据权利要求5所述的实时测量低频换能器深海性能的方法，其特征在于：所述步骤3)中，可使用船载绞车将装置主体放至指定深度，也可通过系留装置以潜标的形式布放。

7.根据权利要求5所述的实时测量低频换能器深海性能的方法，其特征在于：所述步骤4)中，由收放绞车(2-2)及收放架(2-4)回收测试装置；或者由声学释放器(3-6)发送指令，使其与水泥锚(3-7)脱钩，在整套装置自由浮出水面后打捞回收。

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