CN114577330A - 一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统 - Google Patents

一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统 Download PDF

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CN114577330A CN202210109709.XA CN202210109709A CN114577330A CN 114577330 A CN114577330 A CN 114577330A CN 202210109709 A CN202210109709 A CN 202210109709A CN 114577330 A CN114577330 A CN 114577330A
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spherical transducer
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贾广慧
陈毅
平自红
张军
王世全
刘森
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715th Research Institute of CSIC
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
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Abstract

本发明涉及一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，球型换能器表面配合布设置若干传感器单体；还包括信号发生单元和数据采集单元，由信号发生单元发出信号，激励球型换能器在水下产生声场，传感器单体与球型换能器共同振动并输出电压信号，由数据采集单元进行数据采集，完成声场测量。本发明可以直接推算得到远场条件下球型换能器的辐射声场；利用本发明测量声场时准确度更高，受到声场分布不均的影响相对较低，当需要对空间声场进行分析时，在换能器表面放置多个传感器单体即可，布置方法更为简单。本发明可应用于自由场水域中球型发射换能器声学参数的测量，同时也可应用于使用球型换能器作为辅助声源时，水听器的水声参数测量。

Description

一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统
技术领域
本发明涉及应用流体中的检测器测量振动的技术领域，特别涉及一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统。
背景技术
随着水声技术的不断发展，水下换能器辐射声场的测量一直以来都是水声领域研究的重点方向之一。通常，发射换能器的辐射声场以及水听器的校准通常在水池、罐体或者开阔水域中进行。
在进行水声测量过程中，发射换能器的声场是非常重要的水下电声参数。目前的测量方法包括单水听器测量和利用例如球面波修正法和近场声全息法等进行测量。
对于单水听器测量来说，是在换能器辐射的声场中放置一个标准水听器，标准水听器的灵敏度已知，利用标准水听器实现换能器声场的测量，其优点是本身原理较为简单，仅使用一个标准水听器就可以完成测量，但是这种方法存在两方面的问题：
1)标准水听器灵敏度的测量不确定度相对较大，导致使用标准水听器进行测量时，声场测量的不确定度相对较大；
2)由于标准水听器只能够测量一个点的声场，如果需要测量换能器辐射的空间声场，需要布放多个水听器，并且需要配合水听器设计专用的支架，测量作业较为繁琐，并且其定位精度得不到保障。
而若利用例如球面波修正法和近场声全息法等进行测量，其均需要组建大规模的阵列系统，操作起来非常复杂，不利于现有技术中快速、精准获得换能器辐射声场的测量结果的需求。
发明内容
本发明解决了现有技术中存在的问题，提供了一种优化的基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，通过对包括但不限于球型换能器表面加速度、速度和位移等参数的测量，推算球型换能器的远场声场分布，进而可应用于换能器辐射声场的测量和水听器灵敏度的校准。
本发明所采用的技术方案是，一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，包括球型换能器本体，所述球型换能器表面配合布设有若干传感器单体；
所述系统还包括信号发生单元和数据采集单元；
信号发生单元发出信号，激励球型换能器在水下产生声场，传感器单体与球型换能器共同振动并输出电压信号，由数据采集单元进行数据采集，完成声场测量。
优选地，根据所述球型换能器的声场分布规律建立数学模型，在点源辐射的自由场声场中，声压、质点振速及质点振动加速度满足式(1)：
Figure BDA0003494734440000021
式中，
Figure BDA0003494734440000022
和
Figure BDA0003494734440000023
分别表示距离声源的距离为r、方向为θ和
Figure BDA0003494734440000024
处的声压、质点振动速度和质点振动加速度；
Figure BDA0003494734440000025
为关于
Figure BDA0003494734440000026
方向的函数；在基于球型换能器建立的三维坐标xoy平面中，θ为任一质点与x轴夹角的方向，
Figure BDA0003494734440000027
为任一质点与z轴的夹角；ρ为介质密度，c为介质中的声速，ω为角频率，t为时间，k为波数，j为虚数因子，
Figure BDA0003494734440000028
优选地，在球型换能器表面，媒质质点振速与球型换能器表面的振速相等，即
Figure BDA0003494734440000029
式中，
Figure BDA0003494734440000031
为球型换能器表面
Figure BDA0003494734440000032
处的法相振速，该速度分布与θ和
Figure BDA0003494734440000033
有关，
Figure BDA0003494734440000034
为球型换能器表面声场中r0处的质点振速；联立式(1)和式(2)，得到
Figure BDA0003494734440000035
表示为加速度的形式为：
Figure BDA0003494734440000036
式中，
Figure BDA0003494734440000037
为换能器表面
Figure BDA0003494734440000038
处法向加速度；
联立式(4)和式(1)，得到声场中声压、速度和加速度的表达式为：
Figure BDA0003494734440000039
Figure BDA00034947344400000310
Figure BDA00034947344400000311
优选地，所述传感器单体为一个或多个。
优选地，所述传感器单体包括加速度传感器、速度传感器和位移传感器，任一所述传感器单体的传感方向与球型换能器的球面的法向一致。
优选地，在所述球型换能器的任一方向
Figure BDA00034947344400000312
处设置n个传感器单体，得到所述球型换能器的辐射的空间声场为，
Figure BDA0003494734440000041
Figure BDA0003494734440000042
Figure BDA0003494734440000043
其中，Si为第i个传感器单体的灵敏度，Uai为第i个传感器单体的输出电压，球型换能器的半径为r0，R为声场距离球型换能器球心处的距离，i为1至n间的正整数。
优选地，若所述球型换能器为对称，则其空间声场为，
Figure BDA0003494734440000044
Figure BDA0003494734440000045
Figure BDA0003494734440000046
其中，S0为传感器单体的灵敏度，Ua0为传感器单体的输出电压，球型换能器的半径为r0，R为声场距离球型换能器球心处的距离。
优选地，所述信号发生单元包括：
一函数发生器，用于产生测量所需要的信号波形；
一线性功率放大器，配合函数发生器的输出端设置，用于将函数发生器输出的信号作用于球型换能器，激励球型换能器产生需要测量的声波。
优选地，所述数据采集单元包括：
前置放大器，配合传感器单体一一对应设置，用于对任一传感器单体振动并输出的电压信号进行前置放大；
滤波器，配合前置放大器一一对应设置，用于对任一前置放大的电压信号进行滤波；
数据采集设备，配合一个或多个滤波器设置，用于对测量结果进行数据采集，完成相应的分析。
优选地，所述球型换能器固定于六轴可调的校准支架上，以三维坐标正方向为三维0°方向，坐标原点为球型换能器的球心；在水平的xoy方向通过旋转夹具确定水平方向θ，通过升降球型换能器并利用三角函数关系确定
Figure BDA0003494734440000051
方向；确定位置后，将传感器单体安装在球型换能器对应的位置上。
本发明涉及一种优化的基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，包括球型换能器本体，球型换能器表面配合布设有若干传感器单体；还包括信号发生单元和数据采集单元，由信号发生单元发出信号，激励球型换能器在水下产生声场，传感器单体与球型换能器共同振动并输出电压信号，由数据采集单元进行数据采集，完成声场测量。
本发明根据球型换能器在水下产生声波时，其表面振动与辐射声场之间的特定关系，可以直接推算得到远场条件下球型换能器的辐射声场；由于传感器，如加速度传感器具有较低的测量不确定度，因此，相比于水听器测量，利用本发明测量声场时准确度更高，受到声场分布不均的影响相对较低，当需要对空间声场进行分析时，在换能器表面放置多个传感器单体即可，不需要在声场中布置多个水听器，布置方法更为简单。
本系统及对应的测量方法可应用于自由场水域中球型发射换能器声学参数的测量，同时也可应用于使用球型换能器作为辅助声源时，水听器的水声参数测量。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的系统工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1、2所示，本发明涉及一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，包括球型换能器1本体，所述球型换能器1表面配合布设有若干传感器2单体；
所述系统还包括信号发生单元和数据采集单元；
信号发生单元发出信号，激励球型换能器1在水下产生声场，传感器2单体与球型换能器1共同振动并输出电压信号，由数据采集单元进行数据采集，完成声场测量。
本发明中，球型换能器1是指形状为球型、并且产生声波时沿球的径向振动的换能器1。
本发明中，系统包含信号发生单元、球型发射换能器1、一个或多个传感器2单体、数据采集单元；其中，球型换能器1在测量频带内是线性的，并且球型换能器1为压电型，其振动方式为脉动振动；传感器2单体可根据需要测量的声场进行选择，任一单体的质量远小于球型换能器1。
本发明中，传感器2单体包括但不限于加速度传感器2、速度传感器2和位移传感器2，其质量远小于球型换能器1、可以固定在球型换能器1表面即可。
根据所述球型换能器1的声场分布规律建立数学模型，在点源辐射的自由场声场中，声压、质点振速及质点振动加速度满足式(1)：
Figure BDA0003494734440000061
式中，
Figure BDA0003494734440000062
和
Figure BDA0003494734440000063
分别表示距离声源的距离为r、方向为θ和
Figure BDA0003494734440000064
处的声压、质点振动速度和质点振动加速度；
Figure BDA0003494734440000065
为关于
Figure BDA0003494734440000066
方向的函数；在基于球型换能器1建立的三维坐标xoy平面中，θ为任一质点与x轴夹角的方向，
Figure BDA0003494734440000071
为任一质点与z轴的夹角；ρ为介质密度，c为介质中的声速，ω为角频率，t为时间，k为波数，j为虚数因子，
Figure BDA0003494734440000072
进一步来说，在球型换能器1表面，媒质质点振速与球型换能器1表面的振速相等，即
Figure BDA0003494734440000073
式中，
Figure BDA0003494734440000074
为球型换能器1表面
Figure BDA0003494734440000075
处的法相振速，该速度分布与θ和
Figure BDA0003494734440000076
有关，
Figure BDA0003494734440000077
为球型换能器1表面声场中r0处的质点振速；联立式(1)和式(2)，得到
Figure BDA0003494734440000078
表示为加速度的形式为：
Figure BDA0003494734440000079
(4)；式中，
Figure BDA00034947344400000710
为换能器1表面
Figure BDA00034947344400000711
处法向加速度；
联立式(4)和式(1)，得到声场中声压、速度和加速度的表达式为：
Figure BDA00034947344400000712
Figure BDA00034947344400000713
Figure BDA00034947344400000714
同理，声场中声压、速度和加速度的表达式可以写为关于换能器1表面
Figure BDA00034947344400000715
处法向速度或位移的表达式。
在本发明的应用过程中，所述传感器2单体为一个或多个。
所述传感器2单体包括加速度传感器2、速度传感器2和位移传感器2，任一所述传感器2单体的传感方向与球型换能器1的球面的法向一致。
在本发明的实际应用过程中，球型换能器1表面可以设置为：
(1)单个加速度传感器2、速度传感器2或位移传感器2；
(2)多个加速度传感器2、多个速度传感器2或多个位移传感器2；
(3)若干加速度传感器2、速度传感器2或位移传感器2的混合。
在所述球型换能器1的任一方向
Figure BDA0003494734440000081
处设置n个传感器2单体，得到所述球型换能器1的辐射的空间声场为，
Figure BDA0003494734440000082
Figure BDA0003494734440000083
Figure BDA0003494734440000084
其中，Si为第i个传感器2单体的灵敏度，Uai为第i个传感器2单体的输出电压，球型换能器1的半径为r0，R为声场距离球型换能器1球心处的距离，i为1至n间的正整数。
本发明中，当在球型换能器1的任意一个方向
Figure BDA0003494734440000085
处放置传感器2单体时，以加速度传感器2为例，其方向沿着球型换能器1球面的法向方向，确保加速度传感器2与球型换能器1共同振动，得到的方向
Figure BDA0003494734440000086
的位置处声场参数数值(远场声压)为
Figure BDA0003494734440000087
本发明中，亦可在球型换能器1上可以根据需要布放n个加速度传感器2，对应的方向为
Figure BDA0003494734440000088
i＝1,2,3…,n，得到空间声场为
Figure BDA0003494734440000091
以每个下标为i的参数指代第i个加速度传感器2的对应参数。
本发明中，将传感器2单体设置为加速度传感器2、速度传感器2或位移传感器2时，公式将存在些微不同，但此为本领域技术人员公知常识、可以推导获得。
在本发明的应用过程中，还存在一种情况为球型换能器1完全对称，其振动与方向无关、与角度无关，只与距离有关；在此前提下，空间声场可以进一步简化为
Figure BDA0003494734440000092
其中，S0为传感器2单体的灵敏度，Ua0为传感器2单体的输出电压，球型换能器1的半径为r0，R为声场距离球型换能器1球心处的距离。
所述信号发生单元包括：
一函数发生器3，用于产生测量所需要的信号波形；
一线性功率放大器4，配合函数发生器3的输出端设置，用于将函数发生器3输出的信号作用于球型换能器1，激励球型换能器1产生需要测量的声波。
本发明中，函数发生器3可以产生测量所需要的信号波形，通常为脉冲正弦波或连续正弦波，在产生信号的同时可以输出触发信号。
本发明中，线性功率放大器4的功率应当足够大，并且具有满足要求的带宽，在带宽内足够线性，能够激励球型换能器1产生需要测量的声波。
所述数据采集单元包括：
前置放大器5，配合传感器2单体一一对应设置，用于对任一传感器2单体振动并输出的电压信号进行前置放大；
滤波器6，配合前置放大器5一一对应设置，用于对任一前置放大的电压信号进行滤波；
数据采集设备7，配合一个或多个滤波器6设置，用于对测量结果进行数据采集，完成相应的分析。
本发明中，滤波器6的滤波范围可控，并且滤波频率覆盖测量频率范围。
本发明中，数据采集设备7能够对测量结果进行数据采集和相应的分析，采集范围覆盖测量范围，并且具有外部触发功能。
所述球型换能器1固定于六轴可调的校准支架上，以三维坐标正方向为三维0°方向，坐标原点为球型换能器1的球心；在水平的xoy方向通过旋转夹具确定水平方向θ，通过升降球型换能器1并利用三角函数关系确定
Figure BDA0003494734440000101
方向；确定位置后，将传感器2单体安装在球型换能器1对应的位置上。
本发明中，球型换能器1需根据需要固定在六轴可调的校准支架上，六轴可调是指可以绕X轴和Y轴旋转、可以沿着Z轴升降，且可以显示旋转角度和升降高度，此为本领域技术人员容易理解的内容，本领域技术人员可以依据需求自行设置。
本发明中，
Figure BDA0003494734440000102
其中，h为球型换能器1升降的高度。
本发明中，确定位置后，将传感器2单体安装在球型换能器1对应的位置上后，将传感器2单体和球型换能器1一同放入水中；函数发生器3产生测量所需要的信号，该信号经过线性功率放大器4后激励球型换能器1在水下产生声场，此时，固定在球型换能器1表面的传感器2单体与球型换能器1共同振动，并输出电压信号，信号经过前置放大器5进行信号放大后，经过滤波器6完成滤波，并由数据采集设备7完成数据采集，推算得到远场声压(1个传感器2单体)或计算得到球型换能器1的声场(多个传感器2单体)。
本发明中，还可以基于系统实现水下声压级和灵敏度级等水听器参数的测量的应用：
根据
Figure BDA0003494734440000111
计算球型换能器1所产生的声压级为
Figure BDA0003494734440000112
式中，p0为声压参考值，p0＝1μPa。
更进一步地，本发明中，还可以根据
Figure BDA0003494734440000113
和
Figure BDA0003494734440000114
实现水听器灵敏度的测量：
假设球型发射换能器1与水听器的球心的距离为R0，水听器的开路电压为U0，则此时水听器的灵敏度为
Figure BDA0003494734440000121

Claims (10)

1.一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，其特征在于：包括球型换能器本体，所述球型换能器表面配合布设有若干传感器单体；
所述系统还包括信号发生单元和数据采集单元；
信号发生单元发出信号，激励球型换能器在水下产生声场，传感器单体与球型换能器共同振动并输出电压信号，由数据采集单元进行数据采集，完成声场测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，其特征在于：根据所述球型换能器的声场分布规律建立数学模型，在点源辐射的自由场声场中，声压、质点振速及质点振动加速度满足式(1)：
Figure FDA0003494734430000011
式中，
Figure FDA0003494734430000012
和
Figure FDA0003494734430000013
分别表示距离声源的距离为r、方向为θ和
Figure FDA0003494734430000014
处的声压、质点振动速度和质点振动加速度；
Figure FDA0003494734430000015
为关于
Figure FDA0003494734430000016
方向的函数；在基于球型换能器建立的三维坐标xoy平面中，θ为任一质点与x轴夹角的方向，
Figure FDA0003494734430000017
为任一质点与z轴的夹角；ρ为介质密度，c为介质中的声速，ω为角频率，t为时间，k为波数，j为虚数因子，
Figure FDA0003494734430000018
3.根据权利要求2所述的一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，其特征在于：在球型换能器表面，媒质质点振速与球型换能器表面的振速相等，即
Figure FDA0003494734430000021
式中，
Figure FDA0003494734430000022
为球型换能器表面
Figure FDA0003494734430000023
处的法相振速，该速度分布与θ和
Figure FDA0003494734430000024
有关，
Figure FDA0003494734430000025
为球型换能器表面声场中r0处的质点振速；联立式(1)和式(2)，得到
Figure FDA0003494734430000026
表示为加速度的形式为：
Figure FDA0003494734430000027
式中，
Figure FDA0003494734430000028
为换能器表面
Figure FDA0003494734430000029
处法向加速度；
联立式(4)和式(1)，得到声场中声压、速度和加速度的表达式为：
Figure FDA00034947344300000210
Figure FDA00034947344300000211
Figure FDA00034947344300000212
。
4.根据权利要求3所述的一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，其特征在于：所述传感器单体为一个或多个。
5.根据权利要求4所述的一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，其特征在于：在所述球型换能器的任一方向
Figure FDA0003494734430000037
处设置n个传感器单体，得到所述球型换能器的辐射的空间声场为，
Figure FDA0003494734430000031
Figure FDA0003494734430000032
Figure FDA0003494734430000033
其中，Si为第i个传感器单体的灵敏度，Uai为第i个传感器单体的输出电压，球型换能器的半径为r0，R为声场距离球型换能器球心处的距离，i为1至n间的正整数。
6.根据权利要求4所述的一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，其特征在于：若所述球型换能器为对称，则其空间声场为，
Figure FDA0003494734430000034
Figure FDA0003494734430000035
Figure FDA0003494734430000036
其中，S0为传感器单体的灵敏度，Ua0为传感器单体的输出电压，球型换能器的半径为r0，R为声场距离球型换能器球心处的距离。
7.根据权利要求4所述的一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，其特征在于：所述传感器单体包括加速度传感器、速度传感器和位移传感器，任一所述传感器单体的传感方向与球型换能器的球面的法向一致。
8.根据权利要求1所述的一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，其特征在于：所述信号发生单元包括：
一函数发生器，用于产生测量所需要的信号波形；
一线性功率放大器，配合函数发生器的输出端设置，用于将函数发生器输出的信号作用于球型换能器，激励球型换能器产生需要测量的声波。
9.根据权利要求1所述的一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，其特征在于：所述数据采集单元包括：
前置放大器，配合传感器单体一一对应设置，用于对任一传感器单体振动并输出的电压信号进行前置放大；
滤波器，配合前置放大器一一对应设置，用于对任一前置放大的电压信号进行滤波；
数据采集设备，配合一个或多个滤波器的输出端设置，用于对测量结果进行数据采集，完成相应的分析。
10.根据权利要求1所述的一种基于球型换能器表面测振的水下远场声场测量系统，其特征在于：所述球型换能器固定于六轴可调的校准支架上，以三维坐标正方向为三维0°方向，坐标原点为球型换能器的球心；在水平的xoy方向通过旋转夹具确定水平方向θ，通过升降球型换能器并利用三角函数关系确定
Figure FDA0003494734430000051
方向；确定位置后，将传感器单体安装在球型换能器对应的位置上。
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