壓電水聲換能器聲輻射模態(tài)測量方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于聯(lián)合近場聲全息的壓電水聲換能器聲輻射模態(tài)測量方法及系統(tǒng)，該方法采用聯(lián)合近場聲全息重建聲場聲壓及輻射面振速，在以測量數(shù)據(jù)為依據(jù)并結(jié)合聲場輻射的理論獲得聲輻射算子矩陣的基礎(chǔ)上，將壓電水聲換能器的聲輻射功率表示為一個(gè)正定的二次型，然后利用矩陣的正定和共扼性，獲取結(jié)構(gòu)的聲輻射模態(tài)；該系統(tǒng)包括玻璃水槽、帶有PXI總線的工控機(jī)，基于PXI總線的換能器激勵(lì)模塊、聲壓和振速采集模塊及三維運(yùn)動(dòng)平臺；本發(fā)明的方法和系統(tǒng)突破當(dāng)前復(fù)雜水下結(jié)構(gòu)聲輻射模態(tài)只能數(shù)值求解這一限制，為壓電水聲換能器的研究提供一種新的思路，也為水聲壓電換能器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。
【專利說明】壓電水聲換能器聲輻射模態(tài)測量方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于壓電水聲換能器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及壓電水聲換能器聲輻射模態(tài)測量方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國海洋戰(zhàn)略的實(shí)施，在海洋資源探測開發(fā)的技術(shù)競爭日趨激烈，圍繞海洋資源的軍事對抗不斷蔓延的背景下，具有低頻、大功率、深水、小尺寸等特性的水聲換能器這一聲納技術(shù)的基石受到了越來越多的重視。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的水聲換能器受到設(shè)計(jì)理論上的限制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)指標(biāo)較為困難，為此，基于新機(jī)理、新材料、新工藝設(shè)的水聲換能器成為了發(fā)展方向。而壓電材料具有較高的電聲效率，材料來源廣泛，壓電式水聲換能器的研究和應(yīng)用最為廣泛。
[0003]壓電水聲換能器作為一種典型聲源將結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲福射緊密結(jié)合,關(guān)于其研究大多借助于力學(xué)領(lǐng)域的模態(tài)分析方法，不僅在振動(dòng)空間內(nèi)考察結(jié)構(gòu)位移、振速，還試圖直接利用振動(dòng)模態(tài)函數(shù)來表征換能器的聲輻射性質(zhì)，把結(jié)構(gòu)振動(dòng)的分布作為邊值問題來計(jì)算聲場，忽略了輻射面的幾何形狀、聲學(xué)環(huán)境等與聲輻射有關(guān)的因素，更為致命的是由于結(jié)構(gòu)模態(tài)間的耦合的存在，結(jié)構(gòu)模態(tài)函數(shù)并不是換能器的輻射聲場的一組基函數(shù)，表面振動(dòng)的主導(dǎo)振動(dòng)模態(tài)頻率在結(jié)構(gòu)聲輻射中并不一定占主導(dǎo)地位，通過振動(dòng)模態(tài)來研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)的聲輻射變得極為復(fù)雜。對于結(jié)構(gòu)、激勵(lì)力和聲輻射環(huán)境組成的一個(gè)振動(dòng)聲輻射系統(tǒng)，振動(dòng)與聲輻射有密切關(guān)系，因此，從聲輻射模態(tài)這一全新視角研究壓電水聲換能器有重要意義。
[0004]然而關(guān)于聲輻射模態(tài)的研究才剛起步，理論研究僅限于具有簡單規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)，對于簡單的二維結(jié)構(gòu)或三維對稱結(jié)構(gòu)，可使用解析方法獲得其聲輻射模態(tài)；對于三維空間結(jié)構(gòu)的輻射聲場還需要借助于有限元和邊界元等數(shù)值方法來解決，其聲輻射模態(tài)的理論研究更為繁瑣；迄今為止，關(guān)于水聲壓電換能器聲輻射模態(tài)測量還是空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供壓電水聲換能器聲輻射模態(tài)測量方法及系統(tǒng)，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)突破當(dāng)前復(fù)雜水下結(jié)構(gòu)聲輻射模態(tài)只能數(shù)值求解這一限制，為壓電水聲換能器的研究提供一種新的思路，也為水聲壓電換能器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)；基于聯(lián)合近場聲全息的壓電水聲換能器聲輻射模態(tài)測量系統(tǒng)采用基于虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)策略，可在確保一定的硬件資源下，能夠通過軟件配置和升級,柔性調(diào)整系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和對象。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]電水聲換能器聲輻射模態(tài)測量方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1:采用基于聲壓和振速的聯(lián)合近場聲全息重構(gòu)換能器輻射面的振速及輻射聲場信息；
[0009]步驟:2:以換能器輻射面聲壓和振速的重建數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過單元輻射器法求取近場聲輻射算子矩陣；
[0010]步驟:3:使用近場聲輻射算子矩陣及換能器輻射面振速將換能器的輻射聲功率表示為二次型矩陣，然后利用矩陣的正定和共扼性對二次型矩陣進(jìn)行特征值分解最終獲得壓電水聲換能器的聲福射模態(tài)。
[0011]步驟I所述的采用基于聲壓和振速的聯(lián)合近場聲全息重構(gòu)換能器輻射面的振速及輻射聲場信息，具體包括如下步驟:
[0012]①測量換能器半輻射空間內(nèi)包含所有輻射方向的半球形全息面上的聲壓及法向振速；
[0013]②獲取半球形全息面上各測量點(diǎn)聲壓的相位信息；
[0014]③利用半球形全息面上聲壓和法向振速的疊加原理以及波數(shù)域的歐拉公式，通過聲場分離算法從由①、②兩步驟獲取的聲場復(fù)聲壓及振速信息中萃取出入射聲場對應(yīng)的分量，減小可能存在的反射帶來的重建誤差；
[0015]④以步驟③獲得的入射聲場的聲壓及振速信息為基礎(chǔ)，確定換能器輻射面內(nèi)部的等效源強(qiáng)；
[0016]⑤根據(jù)等效源強(qiáng)在聲場中所占的權(quán)重關(guān)系來重建換能器輻射面振速及聲場的
J 卡.0 O
[0017]步驟①所述的測量換能器半輻射空間內(nèi)包含所有輻射方向的半球形全息面上的聲壓及法向振速，具體方法為:
[0018]三維運(yùn)動(dòng)平臺帶動(dòng)矢量水聽器沿包含換能器所有輻射方向的半球形全息面逐點(diǎn)掃描，同時(shí)測量聲壓及法向振速；為滿足不失真條件至少需要4(N+1)2個(gè)采樣點(diǎn)，使用等角度采樣策略，在球坐標(biāo)系的Θ和φ方向分別取2(N+1)個(gè)采樣點(diǎn)，其中N需滿足
[0019]
【權(quán)利要求】
1.壓電水聲換能器聲輻射模態(tài)測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:采用基于聲壓和振速的聯(lián)合近場聲全息重構(gòu)換能器輻射面的振速及輻射聲場信息； 步驟:2:以換能器輻射面聲壓和振速的重建數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過單元輻射器法求取近場聲福射算子矩陣； 步驟:3:使用近場聲輻射算子矩陣及換能器輻射面振速將換能器的輻射聲功率表示為二次型矩陣，然后利用矩陣的正定和共扼性對二次型矩陣進(jìn)行特征值分解最終獲得壓電水聲換能器的聲福射模態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電水聲換能器聲輻射模態(tài)測量方法，其特征在于，步驟I所述的采用基于聲壓和振速的聯(lián)合近場聲全息重構(gòu)換能器輻射面的振速及輻射聲場信息，具體包括如下步驟: ①測量換能器半輻射空間內(nèi)包含所有輻射方向的半球形全息面上的聲壓及法向振速； ②獲取半球形全息面上各測量點(diǎn)聲壓的相位信息； ③利用半球形全息面上聲壓和法向振速的疊加原理以及波數(shù)域的歐拉公式，通過聲場分離算法從由①、②兩步驟獲取的聲場復(fù)聲壓及振速信息中萃取出入射聲場對應(yīng)的分量，減小可能存在的反射帶來的重建誤差； ④以步驟③獲得的入射聲場的聲壓及振速信息為基礎(chǔ)，確定換能器輻射面內(nèi)部的等效源強(qiáng)； ⑤根據(jù)等效源強(qiáng)在聲場中所占的權(quán)重關(guān)系來重建換能器輻射面振速及聲場的聲壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電水聲換能器聲輻射模態(tài)測量方法，其特征在于，步驟①所述的測量換能器半輻射空間內(nèi)包含所有輻射方向的半球形全息面上的聲壓及法向振速，具體方法為: 三維運(yùn)動(dòng)平臺帶動(dòng)矢量水聽器沿包含換能器所有輻射方向的半球形全息面逐點(diǎn)掃描，同時(shí)測量聲壓及法向振速；為滿足不失真條件至少需要4(N+1)2個(gè)采樣點(diǎn)，使用等角度采樣策略，在球坐標(biāo)系的θ和φ方向分別取2(N+1)個(gè)采樣點(diǎn)，其中N需滿足
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電水聲換能器聲輻射模態(tài)測量方法，其特征在于，步驟②所述的獲取全息面各測量點(diǎn)的聲壓的相位信息，具體方法為: 使用針式水聽器測量聲場中一個(gè)固定于換能器輻射面附近，與聲源保持預(yù)設(shè)相位關(guān)系的參考點(diǎn)聲壓，通過計(jì)算全息面上各測量點(diǎn)聲壓和與參考點(diǎn)聲壓之間的互相關(guān)函數(shù)獲取全息面上各點(diǎn)的相位，為盡量減小對入射聲場的干擾，盡量選擇能夠獲得的具有最小直徑的針式水聽器。
5.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述方法的壓電水聲換能器聲輻射模態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于，包括玻璃水槽(1)、帶有PXI總線的工控機(jī)(2)，基于PXI總線的換能器激勵(lì)模塊(3)、聲壓和振速采集模塊(4)及三維運(yùn)動(dòng)平臺(5)； 所述帶有PXI總線的工控機(jī)(2)用于設(shè)置信號發(fā)生器波形、頻率、幅值，分析對象屬性、空氣密度、聲速、采樣率、采集時(shí)長、掃描方式系統(tǒng)參數(shù)，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、顯示，此外還為基于PXI總線的換能器激勵(lì)模塊(3)、聲壓和振速采集模塊(4)及三維運(yùn)動(dòng)平臺(5)提供總線接口 ； 所述基于PXI總線的換能器激勵(lì)模塊(3)由依次連接的基于PXI總線的信號發(fā)生器(6)、線性功率放大器(7)及自動(dòng)阻抗匹配儀(8)組成，所述基于PXI總線的信號發(fā)生器(6)和帶有PXI總線的工控機(jī)(2)的PXI總線接口連接，所述自動(dòng)阻抗匹配儀(8)和置于玻璃水槽(I)中的換能器連接，其中基于PXI總線的信號發(fā)生器(6)用于產(chǎn)生換能器驅(qū)動(dòng)信號，經(jīng)線性功率放大器(7)和自動(dòng)阻抗匹配儀(8)后加載于換能器上，保證換能器處于最佳工作狀態(tài)； 所述聲壓和振速采集模塊(4)由矢量水聽器(10)和針式水聽器(9)，以及與矢量水聽器(10)和針式水聽器(9)均連接的調(diào)理和預(yù)放大單元(11)及基于PXI總線的高速數(shù)據(jù)采集處理卡(12)組成，所述基于PXI總線的高速數(shù)據(jù)采集處理卡(12)和帶有PXI總線的工控機(jī)(2)的PXI總線接口連接，其中矢量水聽器(10)用于測量輻射聲場聲壓和振速，將聲場的聲壓和振速轉(zhuǎn)換成電壓信號，并經(jīng)過調(diào)理和預(yù)放大單元(11)傳輸給基于PXI總線的高速數(shù)據(jù)采集處理卡(12);針式水聽器(9)用于測量位于聲源附近參考點(diǎn)的聲壓信號，聲壓轉(zhuǎn)換為電壓信號后同樣經(jīng)過調(diào)理和預(yù)放大單元(11)傳輸給基于PXI總線的高速數(shù)據(jù)采集處理卡(12);基于PXI總線的高速數(shù)據(jù)采集處理卡(12)用于采集調(diào)理、預(yù)放大后的矢量水聽器(10)及針式水聽器(9)的輸出信號，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以一定的文件格式保存進(jìn)計(jì)算機(jī)中； 所述三維運(yùn)動(dòng)平臺(5)用于帶動(dòng)安裝于其上的矢量水聽器(10)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)測量面上數(shù)據(jù)的采集，其主要由依次連接的基于PLC的三維移動(dòng)平臺控制器(13)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(14)、步進(jìn)電機(jī)(15)及機(jī)械本體(16)組成，所述三維移動(dòng)平臺控制器(13)和帶有PXI總線的工控機(jī)(2)的總線接口連接，所述矢量水聽器(10)安裝在機(jī)械本體(16)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(14)由X軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、Y軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和Z軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述步進(jìn)電機(jī)(15)包括由與X軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、Y軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和Z軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接的X軸步進(jìn)電機(jī)、Y軸步進(jìn)電機(jī)和Z軸步進(jìn)電機(jī)組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械本體(16)包括由與X軸步進(jìn)電機(jī)、Y軸步進(jìn)電機(jī)和Z軸步進(jìn)電機(jī)連接的X軸絲杠執(zhí)行機(jī)構(gòu)、Y軸絲杠執(zhí)行機(jī)構(gòu)和Z軸絲杠執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。
【文檔編號】G01H17/00GK103743469SQ201310676046
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】王鐵軍, 賈坤 申請人:西安交通大學(xué)