CN112964350A - 一种基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度校准方法与系统，该校准方法涉及水听器校准领域，主要用于水听器和互易换能器复数灵敏度的校准，也可用于互易换能器和辅助换能器发射电流响应的测量。本发明利用圆形导轨上半径处处相等以及圆周法向方向始终对准圆心的原理，能够利用圆形导轨的半径直接得到换能器对之间的距离，并根据圆周角度关系，实现换能器对之间的准确对准。结合互易校准原理，对圆形导轨条件下的自由场互易校准公式进行化简，减小由于换能器对之间距离测量误差和声中心偏差对测量产生的影响，进一步降低测量不确定度，弥补当前水听器互易校准的不足。

Description

一种基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准的方 法与系统

技术领域

本发明涉及水声测量领域，属于水听器校准领域，主要是一种基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准的方法与系统。

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，水听器的自由场校准可分为绝对校准和相对校准。绝对校准仅利用物理原理以及已经校准过的仪器仪表开展换能器和水听器的水声参数的测量。在绝对校准过程中，由于没有引入标准水听器，绝对校准具有较低的测量不确定度，其典型代表就是互易法校准。相对校准则是利用经过绝对校准后的标准器作为参考，进行换能器和水听器的水声参数测量。与绝对校准相比较，相对校准虽然原理简单，易于操作，但是其测量不确定度相对较大，不适用于参考水听器的校准和标准装置的检验。同时，相对校准的测量不确定度很大程度上取决于参考标准水听器，并且无法开展复数灵敏度的校准。当前，水听器的绝对校准通常采用直线型的水下布放方式，即辅助换能器、水听器和互易换能器的声中心依次布放在一条直线上。这种水下布放方式的优点是能够一次性在水下完成三换能器的互易校准，中途不需要重新安装换能器和水听器。但是这种方法也有不足之处，主要体现在：1)由于辅助换能器、水听器和互易换能器的声中心位于同一条直线，辅助换能器和互易换能器位于水听器的两侧，在测量时，水听器的声中心需要分别对准辅助换能器和互易换能器，在对准过程中需要根据换能器的声中心进行两次定位；2)在测量辅助换能器和互易换能器之间的转移阻抗时，由于水听器位于辅助换能器和互易换能器之间，因此，为了不破坏声场，需要将中间的水听器升起一定的高度，这需要配置专用的升降回转机构，并且这样的单独升降回转机构设计难度较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准的方法与系统，本发明提出了一种可以旋转的水听器复数灵敏度数测量方法与系统，该方法通过将换能器和水听器固定在一个旋转圆平台上，经过几次简单的旋转就可以分别测量换能器对之间的复数转移阻抗，从而实现水听器复数灵敏度的绝对校准。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准系统，主要包括换能器旋转平台，换能器旋转平台包含主平台、支撑结构和换能器定位机构，主平台为一个不锈钢圆形导轨，主平台中间位置安装有支撑结构用于对主平台进行固定和支撑，圆形导轨上安装有换能器定位机构；换能器定位机构包括行走小车和换能器升降回转机构，行走小车用于在主平台的圆形导轨上自由运动，而升降回转机构则固定在行走小车上；行走小车下面通过万向节与固定换能器的碳纤维杆相连，此时行走小车的位置就是水下换能器的位置，从而实现换能器的水下定位和对准；整个换能器旋转平台共包含3个换能器定位机构，连接辅助换能器的换能器定位机构记为F_P；连接水听器的换能器定位机构记为F_H；连接互易换能器的换能器定位机构记为F_T。

所述的导轨上配备有指针和角度标度。

所述的支撑结构配备水平仪，能够对主平台进行高度和水平调节，确保主平台的不锈钢导轨水平。

所述的碳纤维杆下端安装配重，确保碳纤维杆是沿着重力方向垂直于水面。

本发明公开了一种基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准的方法，包括如下步骤：

1)将辅助换能器P、水听器H和互易换能器T固定在校准夹具上，校准支架与碳纤维杆的一端相连，碳纤维杆的另一端通过万向节与换能器旋转平台中的换能器定位机构相连，万向节能够确保换能器垂直于水面；

2)调节支撑平台，确保主平台处于水平位置；

3)在换能器开始校准前，先要将换能器定位机构进行定位，定位步骤如下：a)首先将F_P固定在主平台任意角度处，该角度记为θ_P；b)将F_H移动至F_P正对的方向，此时辅助换能器P与水听器H声中心之间的距离r_PH，F_H在主平台上的角度为θ_H，θ_H＝θ_P+180°；c)F_H定位完成后，将F_H移动至θ_H’位置，θ_H’＝θ_H-90°；4)将F_T移动至F_P正对的方向，此时辅助换能器P与互易换能器T声中心之间的距离为r_PT，F_T在主平台上的角度为θ_T，同样，θ_T＝θ_P+180°，；5)F_T定位完成后，将F_T移动至θ_T’位置，θ_T’＝θ_T+90°，此时根据角度原理，互易换能器T将正好对准水听器H，不需要再进行对准操作，它们之间的距离为r_TH；

4)完成对准和定位操作后，首先将辅助换能器P固定在θ_P处，互易换能器移动至θ_T’处，水听器移动至θ_H’处。测量互易换能器T与水听器H之间的复数转移阻抗Z_TH(f)；

5)移动水听器H至θ_H处，此时水听器正对辅助换能器P，测量辅助换能器P与水听器H之间的复数转移阻抗Z_PH(f)；

6)移动水听器H至θ_H’处，将互易换能器T移动至θ_T处，此时互易换能器T正对辅助换能器P，测量辅助换能器P与互易换能器T之间的复数转移阻抗Z_PT(f)；

7)根据互易原理，辅助换能器也可作为互易换能器使用。此时，将辅助换能器P作为接收，互易换能器T作为发射，测量它们之间的复数转移阻抗Z_TP(f)；

8)通过公式计算得到水听器的复数灵敏度。

进一步地，为保证测量数据的准确，主平台的不锈钢圆形导轨偏差不超过0.5％，水平度偏差不超过0.5°，换能器定位机构移动角度偏差不超过1°，换能器定位机构在沿主平台运动时的分辨力不大于0.1°；

在步骤4)、5)和6)和7)中，复数转移阻抗可以表示为

(X＝PH,PT,TP,TH)，式中U_X为开路复数电压，I_X为发射复数电流，

为转移阻抗所对应的相角。复数电压和复数电流可以通过傅里叶变换或者复数信号直接测量；

进一步地，辅助换能器P与水听器H的距离r_PH可以表示为：

r_PH＝Δd_P+Δd_H+2r (1)

式中，r为圆形导轨半径，Δd_P为辅助换能器声中心的偏差，Δd_H为水听器声中心的偏差。

同样，辅助换能器P与互易换能器T的距离r_PT可以表示为：

r_PT＝Δd_P+Δd_T+2r (2)

式中，Δd_T为互易换能器声中心的偏差。

互易换能器T与水听器H的距离r_TH可以表示为：

r_TH＝Δd_T+Δd_H+2r (3)

在计算灵敏度幅度时，由于Δd_P、Δd_T和Δd_H远小于圆形导轨的半径r，因此，可以近似认为r_PH≈r_PT≈r_TH≈2r，此时水听器的灵敏度幅度可以表示为：

式中，灵敏度的幅度只与各转移阻抗和圆形导轨的半径r有关。

在相位的测量中，由于水听器灵敏度的幅度与频率有关，在频率较高时，声中心偏差就不能忽略不计，因此水听器灵敏度的相位可以表示为：

将式(1)、(2)和(3)带入(5)，可得

此时水听器的复数灵敏度可以表示为：

进一步地，Δd_H可以采用自旋转的方法进行测量，即先测量辅助换能器P与水听器H的距离r_PH，然后将水听器旋转180°，再次测量辅助换能器P与水听器H的距离r_PH’，此时Δd_H可以表示为：

Δd_H＝(r_PH-r_PH′)/2 (8)

由互易定理可知，该系统不仅可以得到水听器H的复数灵敏度，还可以得到互易换能器T的灵敏度、辅助换能器P的电流发射响应和互易换能器T的发射响应，利用该方法得到的上述水声参数也属于本发明的保护范围。

由于辅助换能器P、水听器H和互易换能器T的空间位置存在相对性，也可以先固定水听器H，再利用权力要求3中的方法确定辅助换能器P和互易换能器T的位置；同样可以先固定互易换能器T，再确定辅助换能器P与水听器H的位置。

本发明的有益效果为：

a)在圆形导轨上，利用圆形半径以及水听器声中心偏差关系，不需要距离测量，就能够直接得到水听器的复数灵敏度；

b)利用该方法和校准系统，可以实现互易换能器复数灵敏度的绝对校准、辅助换能器和互易换能器发射电流相应的绝对校准。

附图说明

图1换能器旋转平台结构示意图。

图2换能器定位示意图。

附图标记说明：主平台1，支撑结构2，换能器定位机构3，碳纤维杆4，辅助换能器5，水听器6，互易换能器7。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明涉及水声测量领域，属于水听器校准领域，可以在自由场中实现水听器复数灵敏度的绝对校准。将辅助换能器、互易换能器和水听器固定在一个同心圆形导轨上，通过换能器之间的旋转操作，分别构成多组换能器对，得到换能器对之间的复数转移阻抗，在不需要进行距离测量的条件下，仅利用圆形导轨的半径以及水听器声中心的偏差就可以实现水声换能器复数灵敏度和发射响应等水声参数的绝对校准。

(1)本发明一种旋转式水声换能器水声参数测量系统，其测量系统构成及要求如下：1)函数发生器：可以产生正弦脉冲信号或宽带信号的函数发生器；2)线性低频功率放大器：该功率放大器的功率足够大，能够激励辅助换能器和互易换能器产生需要测量的声波；3)辅助换能器，该辅助换能器在测量频带内是线性的，能够产生足高够信噪比的信号；4)互易换能器，该互易换能器在测量频带内是线性互易的，能够产生足够高信噪比的信号；5)前置放大器，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；6)滤波器，该滤波器的滤波频率范围覆盖测量频率范围；7)数字示波器，数字示波器需要具有波形显示、数据采集和数据存储功能；8)电子开关，用于信号通道之间的切换；9)电流取样器，能够对功率放大器的激励电流进行取样，并且具有较好的相位一致性。

(2)换能器旋转平台包含主平台1、支撑结构2和换能器定位机构3，其示例如图1所示。换能器旋转平台的主平台1为一个不锈钢圆形导轨，导轨的中心半径为r，导轨的圆形偏差不超过0.5％，导轨的四周有角度标识，标识的角度偏差不超过1°；支撑结构能够对主平台进行固定和支撑，支撑结构2应配备水平仪，并且支撑结构能够对主平台进行水平调节，确保主平台的不锈钢导轨水平；换能器定位机构包括行走小车、换能器升降回转机构，换能器升降回转机构固定在行走小车上，行走小车可以在主平台的圆形导轨上自由运动，为了精确控制换能器的相对位置，小车运动的分辨力不小于0.1°，升降回转机构下面通过万向节与固定换能器的碳纤维杆4相连接，升降机构可以进行升降和回转的微调，实现换能器的水下定位和对准。整个换能器旋转平台共有3个换能器定位机构，辅助换能器5的换能器定位机构记为F_P；固定水听器6的换能器定位机构记为F_H；固定互易换能器7的换能器定位机构记为F_T。换能器通常固定在定位夹具上，为减少反射，换能器夹具通常为碳纤维机构，夹具通过碳纤杆与换能器定位机构相连。换能器定位机构运动带动水下换能器一同运动。

(3)在进行测量前，需要对辅助换能器P、水听器H和互易换能器T进行定位，这里以换能器固定为例进行分析，如图2所示。首先将换能器固定在图2所示的A点，其可以向图中

方向发射声波。移动互易换能器T至辅助换能器对面(图中C点)，将方向对整辅助换能器(图中

方向)，辅助换能器P与互易换能器T的距离为r_PT。测量完距离后将互易换能器移动至图中B点，此时互易换能器发射和接收声波的方向为

移动水听器至图中C点，将其被测方向对准辅助换能器(图中

方向)，辅助换能器P与水听器H的距离为r_PH。完距离测量后，将水听器自身旋转180°，测量距离r_PH’，根据公式(8)测量水听器声中心偏差Δd_H。完成测量后，将水听器自身旋转-180°测量方向再次对准辅助换能器，然后将其移动至图中D点，此时水听器发射和接收声波的方向为

互易换能器T与水听器H正好对准，距离为r_TH。

(4)定位完成后，先将水听器H移动至C点，开始复数转移阻抗Z_PH(f)的测量。这里采用傅里叶分析的方法进行测量。在测量时，首先函数发生器产生测量所需频率的脉冲声信号，该信号通过功率放大器进行放大后，激励发射辅助换能器在水下产生声信号。电流取样器对功率放大器的激励电流进行取样，得到电流信号I₀(f)。水听器作为接收器，接收水下声信号，并在开路端输出电压信号U₀(f)，两组电压和电流信号分别经过前置放大器进行阻抗匹配和放大后，输入到滤波器中进行滤波，最后在示波器中完成信号显示、数据采集和测量，傅里叶分析后电压信号和电流信号的幅度分别为|U(f)|和|I(f)|，相位差为

此时转移阻抗可以表示为：

(5)完成Z_PH(f)的测量后，将水听器移动至D点；将互易换能器T移动至C点，采用步骤(4)中所述的方法测量辅助换能器与互易换能器之间的转移阻抗Z_PT(f)和互易换能器与辅助换能器之间的转移阻抗Z_TP(f)。

(6)完成Z_PT(f)和Z_TP(f)的测量后，后将互易换能器移动至B点；同样采用步骤(4)中所述的方法完成互易换能器与水听器之间的转移阻抗Z_TH(f)的测量。

(7)根据式(1)、(2)和(3)之间的关系，可以近似认为r_PH≈r_PT≈r_TH≈2r，此时可以根据式(4)直接得到水听器灵敏度的幅度。

(8)在相位的测量中，由于水听器灵敏度的幅度与频率有关，在频率较高时，声中心偏差就不能忽略不计。根据式(6)的关系，可以直接得到水听器灵敏度的相位，进而通过式(7)得到水听器的复数灵敏度。

(9)若水听器也是互易的，利用该方法也可以得到互易换能器T的自由场复数灵敏度为：

式中，Z_HP(f)为水听器作为辅助换能器时的复数转移阻抗，可以表示为：

为相位角。

(10)同样，可求得辅助换能器P和互易换能器T的发射电流响应：

本发明公开了一种基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度校准方法与系统，该校准方法涉及水听器校准领域，主要用于水听器和互易换能器复数灵敏度的校准，也可用于互易换能器和辅助换能器发射电流响应的测量。本发明利用圆形导轨上半径处处相等以及圆周法向方向始终对准圆心的原理，能够利用圆形导轨的半径直接得到换能器对之间的距离，并根据圆周角度关系，实现换能器对之间的准确对准。结合互易校准原理，对圆形导轨条件下的自由场互易校准公式进行化简，减小由于换能器对之间距离测量误差和声中心偏差对测量产生的影响，进一步降低测量不确定度，弥补当前水听器互易校准的不足。

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 (9)

1.一种基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准系统，其特征在于：主要包括换能器旋转平台，换能器旋转平台包含主平台(1)、支撑结构(2)和换能器定位机构(3)，主平台(1)为一个不锈钢圆形导轨，主平台(1)中间位置安装有支撑结构(2)用于对主平台进行固定和支撑，圆形导轨上安装有换能器定位机构(3)；换能器定位机构(3)包括行走小车和换能器升降回转机构，行走小车用于在主平台(1)的圆形导轨上自由运动，而升降回转机构则固定在行走小车上；行走小车下面通过万向节与固定换能器的碳纤维杆(4)相连，此时行走小车的位置就是水下换能器的位置，从而实现换能器的水下定位和对准；整个换能器旋转平台共包含3个换能器定位机构(3)，连接辅助换能器(5)的换能器定位机构记为F_P；连接水听器(6)的换能器定位机构记为F_H；连接互易换能器(7)的换能器定位机构记为F_T。

2.根据权利要求1所述的基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准系统，其特征在于：所述的导轨上配备有指针和角度标度。

3.根据权利要求1所述的基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准系统，其特征在于：所述的支撑结构(2)配备水平仪，能够对主平台(1)进行高度和水平调节，确保主平台的不锈钢导轨水平。

4.根据权利要求1所述的基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准系统，其特征在于：所述的碳纤维杆(4)下端安装配重，确保碳纤维杆(4)是沿着重力方向垂直于水面。

5.一种基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将辅助换能器P、水听器H和互易换能器T固定在校准支架上，校准支架与碳纤维杆的一端相连，碳纤维杆的另一端通过万向节与换能器旋转平台中的换能器定位机构相连，万向节能够确保换能器垂直于水面；

2)调节支撑平台，确保主平台处于水平位置；

3)在换能器开始校准前，先要将换能器定位机构进行定位，定位步骤如下：a)首先将F_P固定在主平台任意角度处，该角度记为θ_P；b)将F_H移动至F_P正对的方向，此时辅助换能器P与水听器H声中心之间的距离r_PH，F_H在主平台上的角度为θ_H，θ_H＝θ_P+180°；c)F_H定位完成后，将F_H移动至θ_H’位置，θ_H’＝θ_H-90°；d)将F_T移动至F_P正对的方向，此时辅助换能器P与互易换能器T声中心之间的距离为r_PT，F_T在主平台上的角度为θ_T，同样，θ_T＝θ_P+180°；e)F_T定位完成后，将F_T移动至θ_T’位置，θ_T’＝θ_T+90°，此时根据角度原理，互易换能器T将正好对准水听器H，它们之间的距离为r_TH；

4)完成对准和定位操作后，首先将辅助换能器P固定在θ_P处，互易换能器移动至θ_T’处，水听器移动至θ_H’处，测量互易换能器T与水听器H之间的复数转移阻抗Z_TH(f)；

5)移动水听器H至θ_H处，此时水听器正对辅助换能器P，测量辅助换能器P与水听器H之间的复数转移阻抗Z_PH(f)；

6)移动水听器H至θ_H’处，将互易换能器T移动至θ_T处，此时互易换能器T正对辅助换能器P，测量辅助换能器P与互易换能器T之间的复数转移阻抗Z_PT(f)；

7)根据互易原理，辅助换能器作为互易换能器使用；此时，将辅助换能器P作为接收，互易换能器T作为发射，测量它们之间的复数转移阻抗Z_TP(f)；

8)通过公式计算得到水听器的复数灵敏度。

6.根据权利要求5所述的基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准的方法，其特征在于：为保证测量数据的准确，主平台的不锈钢圆形导轨偏差不超过0.5％，水平度偏差不超过0.5°，换能器定位机构移动角度偏差不超过1°，换能器定位机构在沿主平台运动时的分辨力不大于0.1°。

7.根据权利要求5所述的基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准的方法，其特征在于：在步骤4)、5)和6)和7)中，

复数转移阻抗表示为：

(X＝PH,PT,TP,TH)，式中U_X为开路复数电压，I_X为发射复数电流，

为转移阻抗所对应的相角，复数电压和复数电流通过傅里叶变换或者复数信号直接测量。

8.根据权利要求5所述的基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准的方法，其特征在于：辅助换能器P与水听器H的距离r_PH表示为：

r_PH＝Δd_P+Δd_H+2r (1)

式中，r为圆形导轨半径，Δd_P为辅助换能器声中心的偏差，Δd_H为水听器声中心的偏差；

同样，辅助换能器P与互易换能器T的距离r_PT表示为：

r_PT＝Δd_P+Δd_T+2r (2)

式中，Δd_T为互易换能器声中心的偏差；

互易换能器T与水听器H的距离r_TH表示为：

r_TH＝Δd_T+Δd_H+2r (3)

在计算灵敏度幅度时，由于Δd_P、Δd_T和Δd_H远小于圆形导轨的半径r，因此，近似认为r_PH≈r_PT≈r_TH≈2r，此时水听器的灵敏度幅度表示为：

式中，灵敏度的幅度只与各转移阻抗和圆形导轨的半径r有关；

在相位的测量中，由于水听器灵敏度的幅度与频率有关，在频率较高时，声中心偏差就不能忽略不计，因此水听器灵敏度的相位表示为：

将式(1)、(2)和(3)带入(5)，可得

此时水听器的复数灵敏度表示为：

9.根据权利要求5所述的基于圆形导轨的旋转式水听器复数灵敏度绝对校准的方法，其特征在于：Δd_H采用自旋转的方法进行测量，即先测量辅助换能器P与水听器H的距离r_PH，然后将水听器旋转180°，再次测量辅助换能器P与水听器H的距离r_PH’，此时Δd_H表示为：

Δd_H＝(r_PH-r_PH′)/2 (8)。

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