（测试计量技术及仪器专业论文）基于虚拟仪器的水声换能器校准系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 水声换能器是声纳系统中实现能量转换的器件，在军事对抗及作战中的需求日益提高，而对其 进行校准，是其能够获得正确应用的前提条件。本文主要研究了水声换能器的校准方法及其自动化 实现，提出并搭建了通过p x i 总线控制的基于虚拟仪器的自动测试系统。 水声换能器的校准可归结为转移阻抗的测鼍问题。针对这一问题，论文研究了峰值比较法、谱 分析法、加窗谱分析法和同步采样频率法的原理；阐述了同步采样频率法的一个工程条件；进行了 仿真实验，分析了各种方法的优缺点。 针对基于谱分析的各种方法存在的频谱泄漏、栅栏效应及频率分辨率有限等问题，提出了基于 l e v e n b e r g m a r q u a r d t ( l m ) 算法的曲线拟合法；进行了比对实验。实验结果表明，曲线拟合法具 有一定的优越性。 论文实现了换能器对之间距离的自动测量以及响应信号稳定区域的自动检测，提高了校准系统 的自动化程度。提出了变尺度拟合法，改进了原有的、基于最大值的峰值检测算法，增强了算法对 噪声的适应性。 结合虚拟仪器的特点，选用p x i 总线控制平台，以n ip x i 8 1 0 6 控制器，n ip x i 一5 4 1 2 信号发生 器，n ip x i 6 1 3 3 数据采集卡为核心设备，设计并实现了基于虚拟仪器技术的水声换能器校准系统。 论文详细介绍了硬件同步及软件中的多线程问题。多线程的采用，在以双核c p u 为控制运算设备的 系统平台上，提高了系统的性能。 关键字：水声换能器；虚拟仪器；校准；l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法；p x i 总线：多线程；同步 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t h y d r o p h o n ei st h ec e n t e rp a r to f as o n a rs y s t e m i ti sc r u c i a lt oc a l i b r a t eh y d r o p h o n e sb e f o r eb e i n g u s e d t h e r e f o r e ，t h em e t h o du s e dt oc a l i b r a t eh y d r o p h o n e sa n dt h eb u i l d i n go faa u t o m a t i cs y s t e ma r et h e t w om o s ti m p o r t a n tp a r to ft h et h e s i s t h em e t h o d so fc a l i b r a t i o n ，i n c l u d i n gp e a kd e t e c tm e t h o d ( p d ) ，s p e c t r a la n a l y s i s ( f f ta n dw i n d o w e d f f d ，h a v eb e e nc a r e f u l l ys t u d i e da n da n y l a s i s e d b a s e do nt h es i m u l a t e de x p e r i m e n t sa n dr e a l e x p e r i m o p 。t h ea d v a n t a g ea n ds h o r t a g ea r ec o n c l u d e d f o rt h ed e c r e a s eo fm e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t y , a p t r e e d0n c h r o n o u ss a m p l i n gf r e q u e n c y ( s s f ) i sp r e s e n t e dw h i c ha l s or e d u c e st h es p e c t r a l , a g ea n dh u r d l ee f f e c t an o v e lm e t h o db a s e do nl e v e n b e r g m a r q u a r d t ( l 旧a l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oe s t i m a t et h et r a n s f e r i m p e d a n c e t h er e s u l to fs i m u l a t e de x p e r i m e n t a t i o no fc o m p a r i s i o no f t h i sm e t h o dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s s h o w st h ea d v a n t a g e s i n c ei ta v o i d st h eh u r d l ee f f e c ta n dl i f t st h es p e c m m ar e s o l u t i o nt h e o r e t i c a l l y , a n d a l s o ，t h eg o o dr e s u l to fe x p e r i m e n t s ，t h el ma l g o r i t h mi sh i g h l yr e c o m m e n d e d l - ma l g o r i t h mi s i m p l e m e n t e di nt h ec a l i b r a t i o ns y s t e m t oa c h i e v eab e t t e rp e r f o r m a n c eo fh y d r o p h o n e sc a l i b r a t i o ns y s t e m ，t h es c h e m e so fa u t o m a t i c c a l i b r a t i o ns y s t e ma r er e s e a r c h e d as c h e m eb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o na n dp x ib u st oc a l i a b r a t e h y d r o p h o n e si sd e s c r i b e d t h et e c h n i c a lo fm u l t i - t h r e a d i n gi si n v o l v e di ns o f t w a r es y s t e m t h e r e f o r e ， i m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fs o f t w a r es y s t e mw h i c hr u n n i n go n ad u a l c o r ec p u s od o e st h eu s e r e x p e r i e n c e k e y w o r d s ：h y d r o p h o n e ，v i r t u a li n s t r t r m e n t a t i o n ，c a l i b r a t i o n ，l e v e n b e r g m a r q u a r d ta l g o r i t h m ，p x ib u s ； m u l t i t h r e a d i n g ，s y n c h r o n i z i n g i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：睥导师签名： 金必0 日期：沁2 锻“ 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 水声换能器技术的发展现状 1 1 1 水声换能器的发展 声波是迄今为止人类所掌握的唯一能在大海中远距离传递信息和能量的载体，在陆地上，人们 利用电磁波研制了雷达，类似的人们利用声波这种信息载体研制了对水下目标实现探测、定位、识 别和通信的电子设备声纳【lj 。 声波之所以成为水下最佳信息载体，是由于在水介质中声波与电磁波等其他物理场相比具有最 小的衰减系数，可以获得远距离传播，这个优点使得声纳从最初利用超声波观察水下目标开始而不 断发展起来。目前声纳的工作频段已经扩展到很宽的范围，主动声纳从几十赫兹到几十兆赫兹，被 动声纳的低频端已经拓展到次声范围，在如此宽的频带内，按规定的信号形式激发产生声波和不失 真地感知与接收水中声波信号的重要器件被称为声纳换能器或声纳基阵。 随着声纳技术应用领域的不断扩大，军事对抗及作战需求的日益提高，新原理、新技术、新型 声纳设备纷纷涌现，层出不穷。新型声纳技术的发展要求带动了换能器技术的飞速发展，同样换能 器领域的技术突破和新材料、新机理、新结构换能器的发展，也让声纳系统“耳目一新”。 水声换能器是声纳系统中实现能量转换的器件。是把声能和电能进行相互转换的器件1 2 j 。在声 纳中的地位类似于无线电设备中的天线，是在海水中发射和接收声波的声学系统。其中，把声能转 化为电能的换能器叫做接收器或水听器：把电能转换为声能的换能器叫做发射器。有些声纳用同一 只换能器来发射和接收声音，另一些则使用分开的发射器和水听器。 目前使用的最普遍的水声换能器主要有平面活塞型、纵向振子喇叭型、圆校型和弯张型。我国 能设计制造满足工程需要的各种换能器，水平与国外相当。 1 1 2 校准方法的发展 水声学参量对于水声技术研究至关重要。这些量值的准确与否，不仅关系到水声学科研究的准 确性，而且关系到水声技术装备性能优劣和质量高低的评定，而这些量值的测量离不开水声换能器。 因此，水声换能器的校准和测试是水声测量的关键，水声测量校准工作的目的就是为了更好的再现 水声基本量，确保水声量值的准确一致。 对于水声换能器校准方法的研究最早出现在2 0 世纪4 0 年代。1 9 4 0 年和1 9 4 1 年，m a c l e a n 和 c o o k 各自提出了利用互易原理校准电声换能器的方法：1 9 4 2 年，美国哥伦比亚大学水声计量研究所 ( u s r l ) 就开始着手研究和试验互易校准原理，并发现互易法是试验和鉴定声纳换能器的精确而又 可靠的技术【3 】。1 9 4 2 年至1 9 4 5 年间，u s r l 、哈弗大学声纳发展实验室以及加州大学在换能器校准 技术方面都有了迅速的发展，他们制定了在浅水湖域和水池中进行校准测量的实施程序。 到1 9 4 5 年第二次世界大战末期，人们已经能够在外场的环境下对小型的水听器进行校准，频率 范围从2 h z 到2 2 m h z ：对发射换能器的校准的频率范围为5 0 h z 到1 4 0 k h z 。当时，已经有了不少 标准水听器和标准发射器，但是其性能还很不理想，受温度、时间、静压力的变化影响比较大，发 射换能器的频率响应曲线也不光滑平坦：测量系统也不能进行脉冲声测量，所以校准时一般都要求 很好的自由场和无界媒质【3 j 。第二次世界大战结束后，随着换能器技术的进步，标准水听器和发射 器的性能也得到了大幅度的提高。在这个基础上，二级校准方法得到了广泛的应用。自由场水听器 比较法就是一种二级校准方法一j 。 随着低频换能器基阵的出现，需要对其进行远场校准。远场测量需要大空间水域，设施复杂， 成本很高。为解决这个问题，提出了近场测量技术，主要有：2 0 世纪4 0 年代的球面波修正法i 引、2 0 世纪6 0 年代初美国德克萨斯大学防御研究所( d r l ) 的h o r t o n 和b a k e r 提出的d r l 法【6 】【7 】以及美 东南大学硕士学位论文 国海军研究所水声基准研究室的t r o t t 提出的n f c a 浏8 i 。b o b b e r l 3 总结了1 9 4 0 年到1 9 7 0 年间水声 测量校准方面的主要理论和实验工作的进展。同时，我国的水声工作者郑士杰、袁文俊等的著作也 总结了我国水声计量工作的各个方面。近年来，国内外的学者对在有限尺寸水域进行低频宽带换能 器的校准技术进行了深入的研究。a i n s l e i g h 和g e o r g e 提出了基于瞬态和多路径信号模型的方法一j ， 使得在有限水域中能够使用换能器的瞬态部分或含有反射叠加的信号进行换能器的校准；金晓峰， 袁文俊等研究了基于p r o n y 方法的瞬态信号建模【l 0 i 。 1 1 3 自动测试系统的发展现状 从2 0 世纪8 0 年代中期开始美国军方研制针对多种武器平台和系统，由可重用公共测试资源组 成的通用自动测试系统，并形成了四大标准测试系统系列( 海军的c a s s ，陆军的i f t e ，海军陆战 队的t e t s 和电子战设备标准测试系统j s e c s t ) ，但现有军种为单位的通用测试系统仍然存在以下不 足：( 1 ) 生命周期内使用，维护费用较高；( 2 ) 应用范围有限，适应能力不足：( 3 ) 故障诊断的效 率和准确性有待提高。针对现有通用自动测试系统的不足，特别是2 0 世纪9 0 年代初投入使用c a s s ， i f t e 等标准测试系统到2 0 0 6 年左右升级换代，已不能适应新的武器装备的维护保障需要。1 9 9 6 年 美国国防部自动测试系统执行局召集陆、海、空军，海军陆战队及工业部门联合开发新一代自动测 试系统，其最终目的是：( 1 ) 显著降低自动测试系统的维护和使用费用；( 2 ) 通过提高测试系统的 互操作能力，使最终用户获得最大限度的测试灵活性；( 3 ) 实现被测对象全寿命周期中各个阶段测 试诊断信息的共享和重用，提高测试诊断效率和准确型】。 7 0 年代以前，我国军用测试设备的自动化程度是很低的，以手工操作为主，测试设备是为了某 种测试目的而专门设计制造的，难以改作它用，称为第一代军用测试系统。它的特点为：测试时间 长，结果难以重复，出现错误难以查找。再加上导弹、卫星、飞机，舰艇等武器技术复杂、测试难 度大、批次多。每批产品之间的技术状态和指标不同，测试设备是针对具体型号和系列，系统间互 不兼容，不具有互操作性。为了满足不同型号不同批次武器测试的需要，不得不重新研制测试设备， 所以测试设备的投资消耗巨大。 7 0 年代末8 0 年代初，我国军用自动的测试设备转入以g p i b ( i e e e 4 8 8 标准) 和c a m a c 总线 ( i e e e 5 8 3 标准) 为主的半自动和自动测试阶段。与以前的专用设备比较，采用g p i b 总线和c a m a c 总线后，武器系统测试设备向标准化，模块化，通用化体制迈进了一大步，提高了设备的重复利用 率，避免了各型号或同型号不同批次测试设备的重复性研制，降低了设备投资，技术上达到了相 互交流和继承，使用上达到了成果共享和设备通用，因此缩短了研制周期，节省了入力和资金，称 为第二代军用测试系统。但是g p i b 总线和c a m a c 总线存在致命的弱点，比如g p i b 传输距离有 限，传输速度低：c a m a c 的2 4 位数据宽度与当今流行的8 位，1 6 位，3 2 位微处理器不匹配，没有 大的仪器厂商的支持，缺乏模块化仪器产品，故障率较高等问趔1 2 j 。 9 0 年代初，随着v x i 总线的逐渐普及，我国的军用自动测试设备越来越多的采用v x i 总线， 称之为第三代军用测试系统。v x i 总线解决了高效率，高可靠性，高性能的问题，它最显著的特点 是开放的标准，标准化使测试系统组建灵活，开发周期短，维护方便。仪器系统从分立的台式和机 架式结构发展成为更紧凑，工作速度更快的模块化结构。开放式使v x i 仪器广泛采用计算机软件成 果，保证了模块级，系统级的兼容，软硬件的标准程度更高。第三代自动测试系统很适应于现场环 境应用，特别适用于军用测试系统。我国现在已经拥有了从v x i 机箱，控制器到各种型号的通用和 专用仪器模块的全系列产品。由航天测控中心组建的全国产化的通用武器型号测试系统，使我国的 v x i 总线在军用自动测试设备上的应用达到一个新的高度。 p x i 总线结构最初是在1 9 9 7 年由美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司提出的。p x i 和v x i 比较来说， p x i 是基于p c i 总线的，v x i 是v m e 总线，标准p c i 工作于1 3 2 m b p s 速率，而标准v m e 只有4 0 m b p s 。 使用p c i 的另外一个好处是可以制造出低成本的产品，因为全球支持p c 的上千供应商有很多现成 的元件和软件所以对计算机方面的发展来看，p x i 能够更好的理用计算机的技术，是发展的趋势。 机械特性方面，v x i 必须要金属屏蔽，p x i 规范也专门规定了p x i 产品必须符合辐射要求，包括欧 洲的c e 规范，但p x i 不要求对每个模块进行金属屏蔽，p x i 供应商只需屏蔽模块上的敏感元件即。 2 第一章绪论 但是大多数场合不需要金属屏蔽还有在需要非常高的触发精度时，需要v x i 的高端模块，但这种模 块价格非常非常的昂贵，构建系统大小没有什么区别，p x i 这两年发展的极为迅速，如果说1 9 9 7 年 n i 公司刚提出p x i 的时候，p x i 还不能在高端场合代替v x i ，这两年已经慢慢超过v x i 了。尽管 v x i 规定了a 、b 、c 、d 四种尺寸，但大多数v x i 模块还是采用c 型系统，没有充分利用小型化 技术的优点制作出更小的v x i 系统。而p x i 基于主流p c 技术，可充分利用小型化最新技术，因此 p x i 能将大型测试系统的尺寸减小至一个新的水平。最重要的一点，p x i 的价格是v x i 的l 3 ，这将 大大促进p x i 在工业上的普及。 1 2 虚拟仪器技术 1 2 1 虚拟仪器技术的概念 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自 动化的应用。 虚拟仪器通俗的定义是在通用计算机上加上一组软件和少量硬件，使得使用者在操作这台计算 机时，就如同在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。这种看似计算机却是仪器的“仪器” 被称为虚拟仪器【1 3 】【1 4 】。 1 2 2 虚拟仪器技术的组成部分 1 高效的软件 软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块， 可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。n i 公司提供的用于传统c 语言的 l a b w i n d o w s c v i ，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力， 设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户，可满足客户对高性能应用的需求。有了 功能强大的软件，就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的 强大优势。 2 模块化的i o 硬件 面对如今日益复杂的测试测量应用，虚拟仪器厂商提供了全方位的软硬件的解决方案。无论是 使用p c i ，p x i ，p c m c i a ，u s b 或者是1 3 9 4 总线，厂商都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类 从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式i o 到c a n 接口等工业 通讯，应有尽有。n i 高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师 们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。 3 用于集成的软硬件平台 n i 公司首先提出的专为测试任务设计的p x i 硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用 的标准平台。它的开放式构架、灵活性和p c 技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天 覆地的改革。由n i 发起的p x i 系统联盟现已吸引了6 8 家厂商，联盟属下的产品数量也已激增至近 千种。 p x i 作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时 和触发总线，再配以各类模块化的i o 硬件和相应的测试测量开发软件，就可以建立完全自定义的 测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助p x i 高 性能的硬件平台，都能应付自如。 1 2 3 虚拟仪器技术的优势 1 性能高 虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的p c 技术为主 导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件i o ，使得在数据高速导入磁盘的同时就能 实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现 3 东南大学硕学位论立 其更强大的优势。 2 扩展性强 厂商的软硬件工具使得t 程师和科学家们不再圈囿丁当前的技术中，得益于软件的灵话性只 需更新计算机或测量硬件就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个 系统。在利用最新科技的时候，可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上 市的时间。 3 开发时间少 在驱动和应用两个层面上，厂商高教的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方而的虽新技术 结合在一起。设计这一软件构架的初衰就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功 能使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。 4 无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，应用 中通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量 的时间。虚拟仪器软件平台为所有的i o 设各提供了标准的接u ，帮助用户轻松地将多个测量设备 集成到单个系统，减少了任务的复杂性。 1 3 论文主要内容 圉1 i 虚拟仪器系统示意圈 本文主要是研究完成基于虚拟仪器的水声自动校准系统。通过仿真实验，研究了水声换能器校 准方法中的关键技术提出井搭建了通过p x i 总线控制方式的基于虚拟仪器的自动校准系统。因此， 本文将由以下几部分完成沧文r l 二作： 第章绪论土要说明本论文的选题意义及背景，介绍了当夸国内外自动测试系统的发展现状， 明确了本沧文的上作安排。 第二章水卢换能器棱准原理和方法，本章着重叙述了各项主要参数的定义卧及测量方法奠定 了本文月0 试部分的理论基础。 第三章水声换能器校准的关键技术，着重对比分析了多种获得水声换能器对的转移阻抗的方 法；提出了l m 算法，改进了原有的基于谱分析的方法。进行了模拟实验，以对比各种方法的优劣。 实验结果表明l - m 算法具有一定的优越性。 第四章为了进一步提高自动化程度，研究了换能器对间距离的自动测量以及稳定区域自动检测 的方法。提出了变尺度拟台法，提高了峰值检测算法的噪卢适应能力， 第五章基于p x i 总线自动剁试系统的设计与组建，分析了组建过程的关键内容，实现了p x i 自动测试系统的软硬件体系。 第六章对全文进行了总结。 第二章水声换能器校准原理和方法 第二章水声换能器校准原理和方法 水声换能器的正确校准是使用水声换能器以及采集数据的有效性的前提。只有通过正确的方法， 采取合理的校准设备，正确的对换能器进行校准才可以保证数据分析和研究的顺利进行。本章将主 要介绍一些校准的基本概念及参数，接着介绍了自由场灵敏度和发送响应的校准方法【1 5 【2 1 】【2 3 】。互易 法和比较法的校准原理及测试方法是本章的重点内容。 2 1 基本电声参数1 5 1 水声换能器的主要性能参数有自由场( 电压) 灵敏度、发送电流响应、发送电压响应、指向性 函数等。具体定义如下【1 5 】： 2 1 1 换能器对的电转移阻抗 由发射器( f ) 和水听器( ，) 组成的换能器对，在某一频率下的电转移阻抗( e l e c t r i c a lt r a n s f e r i m p e d a n c eo f t r a n s d u c e r p a i r ) 乙为，当换能器对置于声场中，其主轴相对指向并位于一直线上时， 水听器开路电压“，与输人发射器的电流的复数比。单位为欧( 姆) ，q 。以数学式表示时为： 其模和幅角分别为： z f j = u s 0( 2 1 ) z i = l 甜，f f i = u ，f 审f j2a r g z f j2 由u j 一毒t f 式中：u 水听器开路电压的有效值，v ； 输入发射器电流的有效值，a ； 九水听器开路电压的相位，r a d ； 允输入发射器电流的相位，r a d 。 2 1 2 自由场 电压】灵敏度 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 自由场【电压】灵敏度( f l e e f i e l d v o l t a g e s e n s i t i v i t y ) m i 为：水听器输出端的开路电压甜与在自 由声场中引入水听器前存在于其声中心位置处的瞬时声压p ，的复数比值。单位为伏每帕，v p a 。 以数学式表示时为： 其量值与相位分别为： m f = h | p f q 4 1 吩= i “p z = u p ， 币m ，= 苹。一币p f 5 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 东南大学硕士学位论文 2 1 3 自由场【电压 灵敏度【级 自由场【电压】灵敏度【级】( f l e e f i e l d 【v o l t a g e 】s e n s i t i v i t yl e v e l ) m s 为：自由场灵敏度的量值m ，与 基准灵敏度m 之比的以1 0 为底的对数乘以2 0 。单位为分贝，d b 。 以数学式表示时为： m ，= 2 0 i g ( m i m r ) ( 2 7 ) 注：自由场灵敏度的基准值m ，为1 v i t p a 。 2 1 4 发送电流响应 发送电流响应( t r a n s m i t t i n gc u r r e n tr e s p o n s e ) s 为：在某频率和指定方向上，离发射器声中心 参考距离盛处的瞬时声压p 。和该参考距离的乘积与输入至其电端的电流f 的复数比值，参考距离为 l i i l 。单位为帕米每安，p a m a 。 以数学式表示时为： 墨= l 风磊i j _ p o a o 1 ( 2 8 ) 砖= 吒一谚 ( 2 9 ) 2 1 5 发送电流响应【级】 发送电流响应【级】( t r a n s m i t t i n gc u r r e n tr e s p o n s el e v e l ) 为：发送电流响应的量值s ，与其基 准值墨，之比值的以1 0 为底的对数乘以2 0 。单位为分贝，d b 。 以数学式表示时为： s = 2 0 1 9 ( s t 矗) ( 2 1 0 ) 注：发送电流响应的基准值为lp p a m a 。 2 1 6 电声互易原理 电声互易原理e l e c t r o a c o u s t i cr e c i p r o c i t yp r i n c i p l e 为：一个线性、无源、可逆的电声换能器，用 作水听器时的接收灵敏度和用作发射器时相应的发送响应之比与换能器本身结构无关的原理。 上述比值为一常数，称为互易常数。此常数与换能器所处的声场性质有关，在自由场球面波条 件下，有： 以= 吩墨= 万2 p 卅南一争 ) 其中 k j = 一j ￥ 7 = o i + j 8 ：k ：竺 c 式中：以自由场球面波互易常数，1 1 1 3 s k g ； 吩自由场灵敏度，v p a ： 6 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 第二章水声换能器校准原理和方法 s 发送电流响应，p a m a ； p 媒质的密度，k g m 3 ： 厂频率，h z ； 七。复角波数，m ； 或参考距离( = lm ) ，m ； y 传播系数，m ； 口衰减系数，d b m ； 相位系数，r a d m ； k 角波数，m ； 角频率，r a d s ； c 声速，m s 。 2 2 测量方法的选择 测量方法分为互易法和比较法。可根据对测量的不确定度要求大小来选用。互易法测量要求测 量三次以上并对数据取平均，以减小偶然误差。 2 2 1 互易法 互易法校准是根据互易换能器遵守的电声互易原理进行校准的一种绝对校准方法。有： a ) 球面波自由场互易法，适用于大多数换能器； b ) 柱面波自由场互易法，对于长柱形或线列换能器，往往由于它们的长度较长，致使球面波场 邻近区很远，而难以获得符合测量要求的球面波自由场：或因距离太远，难以保证足够的信噪比，在 此情况下，可选用在近场等效柱面波区内进行测量。 2 2 2 比较法 比较法是将待测换能器与标准水听器或标准声源在同一声场中进行比较，标准水听器或标准声 源应按规定定期校准。 2 3 自由场灵敏度和发送电流响应的互易法测量 2 3 1 球面波自由场互易法 2 3 1 1 原理 球面波互易法校准是根据互易换能器遵守的电声互易原理进行校准的一种绝对校准方法。该法 需用三个换能器，其中至少有一个互易换能器( h ) ，另二个是发射器( f ) 和水听器( j ) ，这二 个换能器只要求满足线性条件。在自由场远场中按图2 1 所示组合，作三次测量，分别测量每换能 器对输入发射器的电流之和、水听器的开路电压甜，或其电转移阻抗乙，就能获得水听器和互易换 能器的自由场灵敏度及互易换能器和发射器的发送电流响应。 7 东南大学硕士学位论文 “册 “彤 图2 1 互易法示意图 ( 1 ) 在第一组测量中，发射器( f ) 在离其声中心校准距离d ，处的水听器( ，) 声中心处的 自由场远场声压力彤略去时间因子后为： p 删= 百p o d o ，( d o _ + , ) 一百，舢训 ( 2 5 ) 式中：岛离发射器( f ) 声中心参考距离吒处的声压，p a ； 以参考距离( = lm ) ，m ； 输入发射器( f ) 的电流，a ； 品发射器( f ) 的发送电流响应，p a m a ； 七。复角波数，m 。 则其电转移阻抗乙，为： 嘞忙p d , f j = 等阶训 式中：材，水听器( j ) 的开路电压，v ； m 疗水听器( j ) 的自由场灵敏度，v p a ： ( 2 ) 对第二组测量，发射器( f ) 发送，互易换能器( h ) 接收时的电转移阻抗z 朋，为： z 肘：甜册：m 了：t s 一| ：p ( 矗一 ( 2 1 7 ) 式中：z 钿互易换能器( h ) 的开路电压，v ； 输入发射器( f ) 的电流，a ； m 胛互易换能器( h ) 的自由场灵敏度，v p a 。 d ，发射器( f ) 和互易换能器( h ) 的声中心之间的距离，m 。 ( 3 ) 对第三组测量，互易换能器( h ) 发送水听器( j ) 接收时的电转移阻抗磊，为： 毛嘞忙掣睁 “肼 式中：“。，互易换能器( h ) 发送时水听器( ，) 的开路电压，v ； 0 输入互易换能器( h ) 的电流，a ； s 。互易换能器( h ) 的发送电流响应，p a m a ； 厶，互易换能器( h ) 和水听器( ) 的声中心之间的距离，m 。 3 翌= 墨坠要堡堕堂堡竺坚兰型生竺 由式( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 可得： 笋：等“轷 9 ) z f hm hd 町 v 川： 由式( 2 1 5 ) 和( 2 1 1 ) 可得： z h j ：华譬三嘞 (220)，a 6 一 ， f 2 z 、 由式( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 就可获得水听器( j ) 和互易换能器( h ) 的自由场灵敏度： 妒z r j z h j 一等嘞嘞卜三 必亿2 ， 警警万28 j f ( d r + t i n s - c t f j ) - - 三 艿 及发射器( f ) 和互易换能器( h ) 的发送电流响应： _ 警。警一f e l ( a p , + a r u - a m ) r 警警分嘞嘞卜詈 五 亿2 4 ， 2 3 1 2 水听器自由场灵敏度的量值 由式( 2 2 1 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 可得，水听器自由场灵敏度的量值为： = 口警1 警嘞 z = i 舞1 警万2 筝- d r , , ) z 仁2 5 在6 0 0k h z 以上，声衰减已不能忽略，由于衰减系数的误差将使水听器校准产生较大的测量误 差。但若在校准中，使校准距离d 聊= 以，+ 如，及以，= “，= d ，则式( 2 2 4 ) 指数项为1 ，式( 2 2 4 ) 础甜= i d z 万j ( 2 2 6 ) 但是在实际工程操作中，要精确满足= 如+ 及如= = d 也并不容易，因此，对于实 际声中心距离的测量仍然非常重要。 若在校准中使= ，则( 2 2 6 ) 可写成： 坳= i 1 号 z = 1 薏等卜号 咒 亿2 7 ， 如用自由场灵敏度级来表示，则式( 2 2 6 ) 和( 2 2 7 ) 为： 9 东南大学硕士学位论文 m 曙= 2 0 1 9 ( m i j m 1 = 1 1 2 0 1 9z i + 2 。- g i z 脚i 一2 。g i z 朋i + 2 。g ( 罢) + 以 一，2 。 m = 2 0 i g ( m y j m ，) = 1 1 2 0 i g i “彤l + 2 。g l “i 一2 。，g | “刖i 一2 。g i 。l + 2 。g ( 詈) + 以 一2 。 上式中： 以= 2 0 l g ( 2 , o f ) = 6 0 2 0 1 9 p 一2 0 l g f 此值可以查表得到。 2 3 1 3 水听器自由场灵敏度的相位 由式( 2 2 1 ) 、( 2 1 2 ) 、) ( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 可得，水听器自由场灵敏度的相位为： c o n s5 a r g m p2 l a r g z f j + a r g 知一a r g “( + 一) 一三 由上式可见，校准距离如，屯和声速c 的测量误差对相位的误差影响较大， 测量。 若使= + ，则式( 2 3 1 ) 成为： = i t a r g z r s + a r g z n s 一鹕一- 万4 a r g z n s 2 。一鹕z 朋一。 同样，虽然从表面上看消去了k 和d ，实际操作中并不能准确的达成此条件。 2 3 1 3 频率限制 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 特别是d 的 ( 2 3 2 ) 互易法校准在理论上对校准频率不存在任何限制，但由于实施中技术上的一些原因而有一定的 限制。 ( 1 ) 高频限制 对于一定尺寸的换能器，校准时所需的最小距离，随频率增加而加大，对于连续正弦信号或有 一定带宽的噪声信号( 在不考虑指向性的情况下) ，直达声与反射声的相对幅值比与其声程比成反比， 因此来自边界的反射声对直达声的干扰也随校准距离的增加而增大。当其相对幅值比大于3 0 d b ，即 反射声的声程比直达声的声程大于3 0 d b 时，反射声的影响将不大于o 3d b 。 在相位校准此要求应更高些，其比值至少应大于4 0 d b 。又在式( 2 3 2 ) 中校准距离d 虽已不出 现，但实际上只是将由d 引起的误差可减至最小，并没有真正消除。当频率较高时，这一影响将仍 很显著，且随频率增高而加大，故实际上相位校准一般不大于几十千赫。 ( 2 ) 低频限制 一般压电型换能器，在低于其谐振颇率下，发送电流响应与频率成正比地减小，当频率低至某 一值时，它在水听器处产生的声压比环境噪声不大于3 0 d b 时，不符合互易法校准的要求，此条件限 制了校准的最低频率。 用脉冲声技术校准时，由稳态测量条件等的要求。声脉冲中应包含的最小周数不能少于两个， 有限水域的大小限制了声脉冲能具有的最大宽度，此条件也决定了能校准的最低频率。 2 3 2 柱面波自由场互易法 2 3 2 1 原理 线形( 或长柱形) 水声发射器发送时，在离它较近的距离( 大约要等) ，其中2 为水中声波长， 二l 为换能器的有效长度范围内存在一个等效的柱面波区域。当一个线形水听器在这个区域内接收时， 1 0 第二章水声换能器校准原理和方法 它的接收面感受到的声压平均值，符合柱面波扩展规律，即距离每增加一倍，声压平均值衰减3d b 。 线形水听器的柱面波自由场灵敏度等于它的球面波自由场灵敏度值。 ( 1 )线形水听器的柱面波自由场灵敏度按公式( 2 3 3 ) 计算： m c = u t p c 式中：m 柱面波自由场灵敏度，v p a ； u ；水听器的输出开路电压，v ： 瓦作用于水听器上的声压平均值，p a 。 一 ( 2 ) 自由场灵敏度 级】按公式( 2 3 4 ) 计算： m c = 2 0 1 9 ( 蛭| m l 式中：恤自由场灵敏度 级】，d b ： m ，自由场灵敏度 级 的基准值( m - - 1v p p a ) 。 2 4 自由场灵敏度的比较法测量 ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 比较法校准是与标准水听器或标准声源比较的一种相对校准方法，它用来校准测量水听器，水 声发射器或其他换能器。 比较法校准同样应在自由场中进行。 比较法校准通常只考虑校准水听器自由场灵敏度和发射器发送响应的量值，不考虑校准其相位。 2 4 1 球面波自由场比较法 球面波水听器自由场灵敏度的比较法校准有两种方法：一是与校准水听器比较；一是与标准声 源比较。 2 4 1 1 与标准水听器比较 用此方法校准时，将发射器( f ) ，标准水听器( p ) 及待校水听器( x ) 按图2 2 所示排列， 分别测量换能器对( f p ) ，( f - x ) 的电转移阻抗模i z 即i 和l z 盯f ，则待校水听器的自由场灵敏度 m x 为： 岭c 别h 静刈尸蹦h 移5 ， 式中：m 。标准水听器的自由场灵敏度，v p a ； d f 户发射器( f ) 和标准水听器( p ) 的声中心间的距离，m ； d 掰发射器( f ) 和待校水听器( 彳) 的声中心间的距离，n l 。 7f t lf 图2 2 比较法示意图 若校准时，使南= 屯，= ，。，则上式成为： l l “印 l l 咣 东南大学硕士学位论文 m x = ( mj p u 肘u f j d )( 2 3 6 ) 式中：u 日待校水听器( x ) 的开路电压，v ； 标准水听器( p ) 的开路电压，v 。 2 4 1 2 与标准声源比较 按图2 3 所示排列，测量由标准声源( p ) 和待校水听器( x ) 组成的换能器对( p x ) 的 电转移阻抗模i i ，则可得到待校水听器的自由场灵敏度峨： m x = up x d | ip s i p = zp x d | s i p 式中：待校水听器( x ) 的开路电压，v ； 标准声源的发送电流响应，p a m a ； d 标准声源与待校水听器的声中心间的距离，m ； 输入标准声源的电流，a 。 ( 2 3 7 ) 图2 3 与标准声源比较示意图 2 4 2 柱面波自由场比较法 柱面波自由场比较法要用一个线形的辅助水声发射器( f ) 和一个线形的标准水听器( ，) ，要 求标准水听器的长度与待测换能器( 彳) 的长度相同，最好是同类换能器。 ( 1 ) 如果换能器，和x 相继置于水声发射器f 激发的柱面波场中同一位置进行比较，则待测换 能器的自由场灵敏度和自由场灵敏度【级 按公式( 2 3 8 ) 和( 2 3 9 ) 计算： m z = m ，( u x u ，)( 2 3 8 ) m x = m _ ，+ ( 口一口蹦)( 2 3 9 ) 鸩分别为待测换能器x 和标准水听器，的自由场灵敏度，v p a ； u 分别为待测换能器x 和标准水听器，的输出开路电压，v ； 鸩分别为待测换能器x 和标准水听器j 的自由场灵敏度 级 ，d b ： 发射器，发送、水听器，和待测换能器x 分别接收时，转移电阻抗衰减器读 数，d b 。 ( 2 ) 如果换能器，和工在水声发射器( f ) 激发的柱面波场中不同距离处进行比较，则待测换 能器的自由场灵敏度和自由场灵敏度【级 按公式( 2 4 0 ) 、( 2 4 1 ) 计算： m x = m ，x ( u x u ，) ( d x d ，) 2( 2