CN114812782A - 一种深海水听器灵敏度相对校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种深海水听器灵敏度相对校准方法，属于海洋船舶水下声学装备的测量，所述方法利用消声水池结合深海高压环境模拟装置，整个测量过程中只有待测水听器承受的静水压发生改变，有效提高了测量的可靠性；由于发射换能器位于深海高压环境模拟装置外部，不受静水压的影响，因此，可模拟全海深压力环境就可以实现全海深压力环境下水听器灵敏度的校准。

Description

一种深海水听器灵敏度相对校准方法
技术领域
本发明属于海洋船舶水下声学装备的测量技术领域，具体涉及一种深海压力环境下水听器灵敏度相对校准方法。
背景技术
声波是目前海洋中最有效的信息传播载体，海洋船舶开展水下通信、导航以及水下目标探测均离不开声信号。声学换能器与水听器是实现电信号与声波转换的传感器。海洋船舶等所使用的水听器在安装前需要对其进行校准、测量，才可以获取精确的声信号。常规水听器灵敏度校准方法有行波管方法、自由场方法等。采用自由场方法需要在消声水池中进行，可以测量的频率范围受消声水池尺寸限制，大型低频消声水池可以开展0.5kHz~1MHz频率范围内的水听器灵敏度测量。但是，随着我国走向深海战略的实施，海洋船舶相关装备在深海中应用越来越广泛，因此在深海高压环境下开展水听器灵敏度校准是海洋船舶相关声学装备走向深海的必然需求。传统自由场方法无法开展深海高压环境下水听器的灵敏度校准。采用行波管方法可以实现一定的静水压下水听器灵敏度校准。受行波管尺寸限制，通常行波管可以实现几十Hz~几kHz频率范围内水听器的校准。通过将行波管密封增加静水压，可以实现一定压力下水听器低频灵敏度校准。但是目前尚无一种方法可以深海高压环境下宽频带水听器灵敏度校准。
发明内容
本发明针对上述技术问题提出一种深海压力环境下水听器相对校准方法，所述方法利用消声水池结合深海压力环境模拟装置实现全海深压力环境下水听器灵敏度校准。
本发明是通过如下技术方案来实现的：
一种深海水听器灵敏度相对校准方法，具体步骤如下：
（1）首先在全消声水池中利用自由场方法对水听器灵敏度进行标定，获得常压下的水听器灵敏度；
（2）将水听器置于深海压力环境模拟装置中，封闭深海压力环境模拟装置后不加压；在深海压力环境模拟装置外采用能够与深海压力环境模拟装置耦合的换能器作为发射声源，发射连续单频信号，安装在深海压力环境模拟装置内的水听器接收到信号后计算该频点的能量；发射换能器依次发射测量频率的单频连续信号，水听器接收信号并计算其幅度谱，提取幅度谱中相应频率点的幅度值；将深海压力环境模拟装置不加压情况下测量得到的频率幅度响应数据与在消声水池中采用自由场方法测量的水听器灵敏度数据进行等效对应，作为加压之前的参考值;增加深海压力环境模拟装置的水压，模拟深海环境，当压力达到水听器标定要求的压力后关闭增压阀，发射换能器依次发射不同频率连续信号，水听器接收信号并计算其幅度谱，提取幅度谱中相应频率点的幅度值；
（3）将在一定压力下测量获得的水听器频率幅度响应数据与未加压状态下测量获得水听器接收频率幅度响应数据对比，计算差值，此差值即为压力变化引起的水听器灵敏度变化值；利用此差值对采用自由场方法获得的水听器灵敏度数据进行修正，即将差值加在对应频点在自由场方法获得水听器灵敏度数值上，从而获得在深海压力环境下水听器的灵敏度数据校准结果。
进一步，所述步骤（2）中的深海压力环境模拟装置包括压力桶本体和可以将压力桶本体密封的端盖；关闭压力桶本体并注满水，水听器采用悬挂方式安装在压力桶本体端盖内部下方，通过水密接插件与外部信号采集系统连接，采集系统将水听器的模拟信号转换为数字信号并存储；深海压力环境模拟装置的端盖外部上方注水后，发射换能器置于端盖上方的水中，通过水体实现信号耦合，发射换能器连接信号发射系统，水听器连接深海压力环境模拟装置外部的信号采集系统。
本发明与现有技术相比的有益效果：
（1）本方法由于发射换能器不承受压力，仅待测水听器承受静水压，因此测量更可靠。
（2）测量频率范围宽：通常情况下，在一定的压力下测量水听器的灵敏度需要在一个封闭的空间进行，目前主要采用行波管方法。行波管方法受到尺寸限制，测量频率受限。本实施例利用相对测量方法，在深海压力环境下测量时发射连续单频信号，计算信号频率幅度响应，频率测量范围不受深海压力环境模拟装置的尺寸限制，测量频率与消声水池中采用自由场方法可测量的范围一致。
（3）可实现全海深压力范围内水听器灵敏度测量：采用行波管方法测量一定压力下水听器灵敏度时，由于发射换能器受到与接收水听器同样的静水压，就要求发射换能器在不同压力下发射信号声源级一致，但是发射换能器在随着压力的变化阻抗也会有所变化，随着发射换能器阻抗的变化，发射效率出现变化，导致发射信号声源级出现波动，从而引入接收水听器灵敏度测量误差。本发明将发射换能器置于高静水压装置外，通过油囊或水作为耦合介质实现信号耦合传递，如图2所示，从而避免了发射换能器参数的变化，进而确保了整个测量过程中只有待测水听器承受的静水压发生改变，有效提高了测量的可靠性。由于发射换能器不受静水压的影响，可测量的压力范围仅受待测水听器的测量要求与深海压力环境模拟装置的压力模拟范围限制，只要深海压力环境模拟装置可模拟全海深压力环境就可以实现全海深压力环境下水听器灵敏度的校准。
附图说明
图1为本发明技术方案的实施流程图；
图2为测量系统示意图；
图3为水听器灵敏度自由场测量结果与不同压力环境下测量结果图；
图4为不同压力下换能器良好耦合状态与不完全耦合状态水听器接收信号幅度对比图；
图中：1、压力桶本体，2、端盖，3、水，4、水听器，5发射换能器。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图来对本发明的技术方案做进一步解释，但本发明的保护范围不受实施例任何形式上的限制。
实施例1
实施流程如图1所示。首先在消声水池利用自由场方法测量待测水听器灵敏度，记录测量结果。将该待测水听器安装在深海压力环境模拟装置（参考专利1：深海环境模拟试验装置，申请号：CN03263833.7；参考专利2：超高压深海环境模拟装置，申请号：CN202110081077.6；文章：[1]李超, 刘保华, 于凯本,等. 90MPa深海高压环境模拟舱的可靠性分析[C]// 一带一路倡议与海洋科技创新——中国海洋学会2015年学术年会.）中，关闭深海压力环境模拟装置，并注满水。将发射换能器与深海压力环境模拟装置充分耦合接触，确保换能器的发射信号可以被待测水听器接收到。发射换能器依次发射测量频带内的单频连续信号，待测水听器接收到信号后通过采集系统记录接收信号，并计算接收信号的频谱，待测量频点的接收信号幅度完全稳定后记录相应的频率幅度值。依次测量获得测量频带内的所有频率幅度值，计算测量频段内的频率幅度响应。深海压力环境模拟装置增压，达到指定压力后关闭增压装置。发射换能器再依次发射测量频带内的单频连续信号，待测水听器接收到信号后通过采集系统记录接收信号，并计算接收信号的频谱，待测量频点的接收信号幅度完全稳定后记录相应的频率幅度值，计算测量频段内的频率幅度响应。比较深海压力环境模拟装置增压前、后测量获得的频率幅度值在各个频率点的差异，记录在各个频率点的差值。利用该差值对消声水池中采用自由场方法测量获得的水听器灵敏度数据进行修正，完成深海压力环境下水听器灵敏度的校准。
本实施例对水听器进行了深海压力环境下灵敏度测量。首先在消声水池中利用自由场方法对待测水听器测量了4kHz~16kHz频段内的灵敏度；再利用深海压力环境模拟装置模拟深海压力环境，深海压力环境模拟装置包括压力桶本体1和可以将压力桶本体密封的端盖2。关闭压力桶本体并注满水3，水听器4采用悬挂方式安装在压力桶本体的端盖内部下方，通过水密接插件与外部信号采集系统连接，采集系统将水听器的模拟信号转换为数字信号并存储；深海压力环境模拟装置的端盖外部上方注水3后，发射换能器置于端盖上方的水中，通过水体实现信号耦合，发射换能器连接信号发射系统，水听器连接深海压力环境模拟装置外部的信号采集系统，整体安装方式如图2所示，其中发射系统生成发射电信号并驱动发射换能器产生测量声信号。首先，测量常压下水听器在压力桶本体内的频率幅度响应，并记录；压力桶本体分别加压至10Mpa和20Mpa，关闭压力阀并开始测量，记录在该压力下的不同频率幅度响应；分别计算10Mpa和20Mpa压力下与常压下的水听器频率幅度响应差值；将常压下水听器在压力桶本体内的频率幅度响应与自由场条件下测量的水听器灵敏度对应，通过计算不同压力下水听器幅频特性相应的差值得到不同压力下水听器灵敏度校准结果。自由场方法测量获得的水听器灵敏度结果与10Mpa和20Mpa压力下测量的水听器灵敏度结果如表1所示，分布如图3所示，结果显示随着压力的增加水听器在不同频点的灵敏度降低不同，利用本发明实现了10Mpa和20Mpa的深海压力环境下水听器灵敏度的校准，校准结果显示随着环境压力的增加，水听器灵敏度不断下降。在测量频段内，随着压力的增加灵敏度不断下降，与常压自由场环境下测量的结果相比，10Mpa和20Mpa压力环境下在6kHz频点分别下降7dB、13dB，在12kHz频点分别下降1.7dB和2dB。
表1不同压力条件下水听器灵敏度校准结果
Figure 66143DEST_PATH_IMAGE001
实施例2
本发的关键技术特征之一是使用深海环境模拟装置模拟不同海洋深度的压力，而这一装置的使用关键是发射换能器与深海环境模拟装置的耦合，使用水或者油作为耦合介质，才能使位于深海环境模拟装置内部的水听器接收到信号。
当不使用耦合介质时，深海环境模拟装置内部的水听器接收到的信号非常微弱，本实施例设置了不使用耦合介质时在压力10Mpa和20Mpa时的数据，与实施例的数据进行对比，数据如表2和表3所示，对比图如图4。
表2 10Mpa压力下良好耦合状态和不完全耦合状态下接收信号幅度对比
Figure 983284DEST_PATH_IMAGE002
表3 20Mpa压力下良好耦合状态和不完全耦合状态下接收信号幅度对比
Figure 559758DEST_PATH_IMAGE003
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种深海水听器灵敏度相对校准方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：
（1）首先在全消声水池中利用自由场方法对水听器灵敏度进行标定，获得常压下的水听器灵敏度；
（2）将水听器置于深海压力环境模拟装置中，封闭深海压力环境模拟装置后不加压；在深海压力环境模拟装置外采用能够与深海压力环境模拟装置耦合的发射换能器作为发射声源，依次发射测量频率的单频连续信号，水听器接收信号并计算其幅度谱，提取幅度谱中相应频率点的幅度值；将深海压力环境模拟装置不加压情况下测量得到的频率幅度响应数据与在消声水池中采用自由场方法测量的水听器灵敏度数据进行等效对应，作为加压之前的参考值;增加深海压力环境模拟装置的水压，模拟深海压力环境，发射换能器依次发射不同频率连续信号，水听器接收信号并计算其幅度谱，提取幅度谱中相应频率点的幅度值；
（3）将在一定压力下测量获得的水听器频率幅度响应数据与未加压状态下测量获得水听器接收频率幅度响应数据对比，计算差值，此差值即为压力变化引起的水听器灵敏度变化值；将差值加在对应频点在自由场方法获得水听器灵敏度数值上，从而获得校准结果。
2.根据权利要求1所述的一种深海水听器灵敏度相对校准方法，其特征在于，所述步骤（2）中的深海压力环境模拟装置包括压力桶本体（1）和能够将压力桶本体（1）密封的端盖（2）；关闭压力桶本体（1）并注满水（3），水听器（4）采用悬挂方式安装在压力桶本体（1）的内部端盖（2）的下方，通过水密接插件与外部信号采集系统连接，采集系统将水听器（4）的模拟信号转换为数字信号并存储；深海压力环境模拟装置的端盖（2）外部上方注水（3）后，发射换能器置于端盖（2）上方的水（3）中，通过水体实现信号耦合，发射换能器连接信息发射系统，水听器（4）连接深海压力环境模拟装置外部的信号采集系统。
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