本發(fā)明涉及一種利用混響水池進行水聲換能器互易校準(zhǔn)的方法。

背景技術(shù)：

水聲計量是水聲技術(shù)領(lǐng)域的一個重要基礎(chǔ)，它不但是校準(zhǔn)、測試或者鑒定水下電聲換能器所必需的，而且是間接地應(yīng)用水聲換能器的基礎(chǔ)。隨著水聲設(shè)備類型的增多、頻率范圍的擴展、性能的提高等，都不斷地對水聲計量提出了許多新的要求。

目前水聲換能器校準(zhǔn)采用的是自由場校準(zhǔn)方法(水聲換能器自由場校準(zhǔn)方法(GB3223-82))，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了水聲換能器在自由場球面波條件下的校準(zhǔn)方法：互易法和比較法。其中明確注明標(biāo)準(zhǔn)使用的頻率范圍為100Hz到1MHz。這是由于實際校準(zhǔn)環(huán)境下，無法滿足無限大自由場空間條件，即保證無反射聲的存在，即便是吸聲條件良好的消聲水池中，依然存在測量的下限頻率，因而無法有效地滿足低頻換能器校準(zhǔn)要求。

在空氣聲學(xué)中采用混響室校準(zhǔn)傳聲器已經(jīng)得到成熟應(yīng)用，由于空氣與水的特性相差較大，在混響水池中借助空氣聲學(xué)中的校準(zhǔn)方法無法得到有效應(yīng)用。吳文虬應(yīng)用擴散聲場校準(zhǔn)法在混響水槽中采用1/3帶寬噪聲對兩只水聽器靈敏度進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果與出廠時噪聲比較法測得的靈敏度相差較大。盡管該實驗采用寬帶測量的辦法減少了聲場中簡正波對聲場均勻性的影響，但是卻犧牲了頻率特性。目前尚未見到在混響水池中利用空間平均的方法進行水聲換能器校準(zhǔn)窄帶頻率校準(zhǔn)的報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種利用混響水池進行水聲換能器互易校準(zhǔn)的方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種利用混響水池進行水聲換能器互易校準(zhǔn)的方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)待校準(zhǔn)水聲換能器的待校準(zhǔn)最低頻率選取相應(yīng)尺寸的混響水池；

(2)將任意一個無指向性聲源和一個水聽器組成發(fā)射接收換能器對，在消聲水池內(nèi)測量距離聲源等效聲中心1m遠處開路輸出電壓并記錄儀器發(fā)射接收參數(shù)；

(3)將此發(fā)射接收換能器對放置于混響水池中，調(diào)節(jié)相同發(fā)射接收參數(shù)，采用空間平均法測量水聽器開路輸出電壓；

(4)利用水聽器在消聲水池和混響水池測量得到的開路輸出電壓，計算混響水池的互易常數(shù)；

(5)在混響水池中，發(fā)射換能器發(fā)射聲信號，互易換能器和接收換能器接收聲信號，采用空間平均法測量互易換能器和接收換能器的開路輸出電壓；

(6)互易換能器發(fā)射聲信號，接收換能器接收聲信號，采用空間平均法測量互易換能器的輸入電流和接收換能器的開路輸出電壓；

(7)利用測量到的電學(xué)值，計算互易換能器和接收換能器的自由場電壓靈敏度。

所述的混響水池的選擇，根據(jù)待校準(zhǔn)水聲換能器的待校準(zhǔn)最低頻率選取相應(yīng)尺寸的混響水池；混響水池容積最小為V：

式中，待校準(zhǔn)水聲換能器校準(zhǔn)最低頻率f_l，水中聲速c₀。

所述空間平均法的具體操作過程如下：

(1)混響移動區(qū)域的劃分；將混響水池分為兩個混響移動區(qū)域：發(fā)射移動區(qū)域和接收移動區(qū)域；混響移動區(qū)范圍按照如下規(guī)則劃分：射移動區(qū)域與接收移動區(qū)域距離大于臨界距離；臨界距離為發(fā)射移動區(qū)域和接收移動區(qū)域邊界之間的最小距離，其值是測試最低頻率波長的2倍和混響半徑的4倍中的最小值；發(fā)射移動區(qū)域和接收移動區(qū)域的區(qū)域邊界與池壁和水面的距離大于測試最低頻率的1/4波長；

(2)空間平均法測量；將發(fā)射器和接收器分別置于兩個混響移動區(qū)域內(nèi)；在測試過程中，發(fā)射器和接收器采用勻速、緩慢、隨機的方式移動；在一次測量時間內(nèi)發(fā)射器和接收器同時在各自的混響移動區(qū)內(nèi)移動，移動速度小于0.1m/s，移動的路徑大于2倍波長。

使用數(shù)據(jù)采集器進行所述電壓的采集，采用邊移動邊采集的方式，即在一次測量時間內(nèi)，發(fā)射器和接收器開始移動后，數(shù)據(jù)采集器開始記錄采集到的電壓有效值；計算電壓均方根值<e>為：

式中，e_i為采集到的電壓有效值，N為采集點數(shù)。

本發(fā)明的有益效果在于：1、采用本發(fā)明方法進行水聲換能器校準(zhǔn)，可以同時對多只水聽器進行校準(zhǔn)。2、減少了對實驗水池的要求。在小尺寸混響水池或非消聲水池，只要滿足校準(zhǔn)的頻率范圍即可采用此法進行校準(zhǔn)。3、本發(fā)明方法適用于任意形狀的混響水池。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實驗操作流程圖；

圖2為混響水池互易常數(shù)測量裝置簡易圖；

圖3為混響水池中水聲換能器互易校準(zhǔn)裝置連接圖；

圖4為混響水池互易校準(zhǔn)測量排布和步驟；

圖5為混響箱中混響移動區(qū)域示意圖；

圖6為混響箱中混響移動區(qū)域俯視圖；

圖7為混響箱的互易常數(shù)；

圖8為采用本發(fā)明方法對互易換能器校準(zhǔn)結(jié)果與出廠時自由場互易法校準(zhǔn)結(jié)果對比圖；

圖9為采用本發(fā)明方法對接收換能器校準(zhǔn)結(jié)果與出廠時自由場互易法校準(zhǔn)結(jié)果對比圖；

圖10為采用本發(fā)明方法校準(zhǔn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差；

圖11為進行混響水池互易校準(zhǔn)所需混響水池的最小容積。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。

本發(fā)明涉及水聲換能器的混響水池互易校準(zhǔn)方法。本發(fā)明包括：混響水池互易常數(shù)的測定和互易校準(zhǔn)兩個過程。在消聲水池中，用任意一個無指向性的聲源發(fā)射單頻連續(xù)正弦信號，利用任意水聽器測量出距離聲源一米遠處的開路輸出電壓e_f；在混響水池中利用相同裝置并設(shè)置相同的收發(fā)參數(shù)，采用空間平均的方法測量水聽器的開路輸出電壓均方值e_r。利用消聲水池中測得的開路電壓和混響水池中測得的開路電壓均方根值計算得到混響水池互易常數(shù)。在混響水池中，采用空間平均法操作要求測量發(fā)射器的輸入電流和接收器的開路輸出電壓，進行互易法水聽器校準(zhǔn)。本方法校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確，可同時對多只水聽器進行校準(zhǔn)，并適用于任意形狀的混響水池。

(1)根據(jù)待校準(zhǔn)水聲換能器(發(fā)射換能器或接收換能器)的待校準(zhǔn)最低頻率選取相應(yīng)尺寸的混響水池。

(2)將任意一個無指向性聲源和一個水聽器組成發(fā)射接收換能器對，在消聲水池內(nèi)測量距離聲源等效聲中心1m遠處開路輸出電壓。并記錄儀器發(fā)射接收參數(shù)。

(3)將此發(fā)射接收換能器對放置于混響水池中，調(diào)節(jié)相同發(fā)射接收參數(shù)，采用空間平均法測量水聽器開路輸出電壓。

(4)利用水聽器在消聲水池和混響水池測量得到的開路輸出電壓，計算混響水池的互易常數(shù)。

(5)在混響水池中，發(fā)射換能器發(fā)射聲信號，互易換能器和接收換能器接收聲信號，采用空間平均法測量互易換能器和接收換能器的開路輸出電壓。

(6)互易換能器發(fā)射聲信號，接收換能器接收聲信號，采用空間平均法測量互易換能器的輸入電流和接收換能器的開路輸出電壓。

(7)利用測量到的電學(xué)值，計算互易換能器和接收換能器的自由場電壓靈敏度。

混響水池的選擇。根據(jù)待校準(zhǔn)水聲換能器(發(fā)射換能器或接收換能器)的待校準(zhǔn)最低頻率選取相應(yīng)尺寸的混響水池?；祉懰厝莘e最小為V：

式中，待校準(zhǔn)水聲換能器校準(zhǔn)最低頻率f_l，水中聲速c₀。

測量過程中采用空間平均法進行。空間平均法的具體操作過程如下：

第一步：混響移動區(qū)域的劃分。將混響水池分為兩個混響移動區(qū)域：發(fā)射移動區(qū)域和接收移動區(qū)域?；祉懸苿訁^(qū)范圍按照如下規(guī)則劃分：

發(fā)射移動區(qū)域與接收移動區(qū)域距離應(yīng)大于臨界距離。臨界距離為發(fā)射移動區(qū)域和接收移動區(qū)域邊界之間的最小距離，其值是測試最低頻率波長的2倍和混響半徑的4倍中的最小值。發(fā)射移動區(qū)域和接收移動區(qū)域的區(qū)域邊界與池壁(包括池底)和水面的距離應(yīng)大于測試最低頻率的1/4波長。

第二步：空間平均法測量。將發(fā)射器和接收器分別置于兩個混響移動區(qū)域內(nèi)。在測試過程中，發(fā)射器和接收器采用勻速、緩慢、隨機的方式移動。在一次測量時間內(nèi)發(fā)射器和接收器同時在各自的混響移動區(qū)內(nèi)移動，移動速度小于0.1m/s，移動的路徑應(yīng)大于2倍波長，且盡量遍及各自混響移動區(qū)的所有位置，移動的隨機性越強、時間越長對消除混響水池簡正波的干涉處理越有利。

使用數(shù)據(jù)采集器進行電壓采集，采用邊移動邊采集的方式，即在一次測量時間內(nèi)，發(fā)射器和接收器開始移動后，數(shù)據(jù)采集器開始記錄采集到的電壓有效值。計算電壓均方根值<e>為：

式中，e_i為采集到的電壓有效值，N為采集點數(shù)。

需要指出的是，在進行空間平均過程中，隨著采集點數(shù)(或采集時間)的增加，測量接收換能器開路輸出電壓均方值趨于定值。通過選取適當(dāng)采集點數(shù)使得開路輸出電壓均方值波動幅度小于0.2％后，電壓穩(wěn)定，測得的電壓均方根值為平均開路輸出電壓。

混響水池互易常數(shù)的測量計算。將聲源和水聽器放置于消聲水池中，水聽器處于聲源遠場距離。信號源輸出單頻連續(xù)正弦信號，水聽器接收聲信號由數(shù)據(jù)采集器記錄水聽器開路輸出電壓。實驗中記錄實驗儀器中各項設(shè)定參數(shù)(信號源輸出頻率、電壓值、功率放大器增益、水聽器與聲源等效聲中心距離以及測試系統(tǒng)的其它測量參數(shù)等)。數(shù)據(jù)采集器測量記錄水聽器在各個頻率下的開路輸出電壓e_test，并按照球面波擴散規(guī)律折算到距離聲源1m遠處的開路輸出電壓e_f：

e_f＝e_test·r

式中，e_test為水聽器距離聲源等效聲中心距離r處測得的開路輸出電壓。

采用該混響水池互易常數(shù)測量系統(tǒng)，將聲源和水聽器放置于待校準(zhǔn)混響水池中，保持相同的發(fā)射接收參數(shù)，應(yīng)用空間平均法測量水聽器開路輸出電壓并計算開路輸出電壓<e_r>。

根據(jù)在消聲水池中測得的水聽器開路電壓e_f和在混響水池測得的開路輸出電壓<e_r>，計算得到混響水池中的混響水池互易常數(shù)J_r為：

式中，ρ為水的密度，f為測量頻率，r_c為混響水池的混響半徑，其值為e_f與<e_r>之比。

在混響水池中進行水聲換能器互易法校準(zhǔn)。校準(zhǔn)使用三個換能器：發(fā)射換能器F、互易換能器H和接收換能器J，其發(fā)送響應(yīng)和接收靈敏度都是未知的。換能器發(fā)射聲信號時作為發(fā)射器，接收聲信號時作為接收器。校準(zhǔn)測量時將發(fā)射器和接收器分別置于發(fā)射移動區(qū)域和接收移動區(qū)域。

校準(zhǔn)測量過程分兩步進行，在測量頻率范圍內(nèi)，信號源發(fā)射單頻連續(xù)正弦信號，按照空間平均的方法操作，數(shù)據(jù)采集器測量記錄各個頻率下的電壓值。

第一步，發(fā)射換能器F作為發(fā)射器放置于發(fā)射移動區(qū)域，互易換能器H和接收換能器J作為接收器放置于接收移動區(qū)域。應(yīng)用空間平均法測量互易換能器H和接收換能器J的開路輸出電壓<e_FH>和<e_FJ>。

第二步，互易換能器H作為發(fā)射器放置于發(fā)射移動區(qū)域，接收換能器J作為接收器放置于接收移動區(qū)域。測量接收換能器J開路輸出電壓<e_HJ>和互易換能器H的輸入電壓<e_H>。

根據(jù)測量結(jié)果計算互易換能器H的自由場電壓靈敏度M_H和接收換能器J的自由場電壓靈敏度M_J：

下面，參照附圖1對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明所描述的方法包括以下步驟：

(1)混響水池的選擇。采用本發(fā)明方法在混響水池中進行水聲換能器互易校準(zhǔn)所選擇的混響水池尺寸取決于待校準(zhǔn)水聲換能器的校準(zhǔn)最低頻率。如圖11所示提供了校準(zhǔn)最低頻率與校準(zhǔn)所需混響水池容積之間的參考關(guān)系。

由公式：

計算校準(zhǔn)所需混響水池最小容積。式中，f_l為待校準(zhǔn)水聲換能器校準(zhǔn)最低頻率，c₀為水中聲速。

(2)混響移動區(qū)域的劃分。按照如下規(guī)則將混響水池分為兩個混響移動區(qū)域：發(fā)射移動區(qū)域和接收移動區(qū)域。

混響移動區(qū)域劃分規(guī)則：發(fā)射器和接收器的表面距離大于臨界距離(臨界距離至少大于測試最低頻率波長的2倍或混響半徑的4倍)，發(fā)射器和接收器表面與池壁(包括池底)和水面距離大于測試最低頻率的1/4波長。

(3)消聲水池中水聽器開路電壓測量。采用一套發(fā)射接收裝置，包含信號源、功率放大器、聲源、水聽器、數(shù)據(jù)采集器、計算機，如圖2。將聲源和水聽器放置于消聲水池中，水聽器與聲源距離滿足遠場測量條件。信號源輸出單頻連續(xù)正弦信號，經(jīng)功率放大器激勵聲源輻射，水聽器接收聲信號。測試過程中記錄發(fā)射參數(shù)(信號源輸出頻率、電壓值、增益等)，在聲源遠場中距離聲源等效聲中心一定距離處測量接收換能器的開路輸出電壓，并折算到距離聲源1m遠處的開路輸出電壓e_f。

e_f＝e_test·r

其中，e_test為水聽器距離聲源等效聲中心距離r處測得的開路輸出電壓。

(4)混響水池中水聽器開路電壓測量。采用上述發(fā)射接收裝置，將聲源和水聽器放置于混響水池內(nèi)，空間平均法中混響移動區(qū)域劃分方法，將聲源和水聽器分別置于兩個移動區(qū)域內(nèi)。保持相同的發(fā)射接收參數(shù)，利用數(shù)據(jù)采集器采用空間平均法測量水聽器開路輸出電壓。

計算水聽器開路輸出電壓均方根值<e_r>為：

式中，e_i為采集到的開路輸出電壓有效值，N為采集點數(shù)。

(5)混響水池互易常數(shù)計算。根據(jù)在消聲水池中測得的水聽器開路電壓e_f和在混響水池測得的開路輸出電壓均方根值<e_r>，計算得到混響水池中各頻率下的互易常數(shù)：

式中，ρ為水的密度，f為測量頻率。

(6)混響水池水聲換能器互易校準(zhǔn)。進行水聲換能器的混響水池互易校準(zhǔn)，需要三只換能器：發(fā)射換能器F、互易換能器H和接收換能器J。其發(fā)射響應(yīng)和接收靈敏度都是未知的。裝置連接如圖3所示。其中，采集器采集記錄接收器開路輸出電壓和與發(fā)射器串聯(lián)電阻的兩端電壓。

混響水池中互易校準(zhǔn)測量的排布和步驟如圖4所示。校準(zhǔn)分兩步進行，每一步將發(fā)射器置于發(fā)射移動區(qū)域，接收器置于接收移動區(qū)域。采用空間平均法進行操作。

第一步，發(fā)射換能器F作為發(fā)射器發(fā)射聲信號，互易換能器H和接收換能器J作為接收器接收聲信號。測量H和J的開路輸出電壓均方根e_FH和e_FJ。

第二步，互易換能器H作為發(fā)射器發(fā)射聲信號，接收換能器J作為接收器接收聲信號。測量J的開路輸出電壓均方根e_HJ和H的輸入電壓均方根e_H。

(7)根據(jù)測量結(jié)果計算互易換能器H易換能的自由場靈敏度M_H和接收換能器J的自由場電壓靈敏度M_J：

計算互易換能器H的自由場電壓靈敏度級M_HL和接收換能器J的自由場電壓靈敏度級M_JL:

M_HL＝20lg(M_H/M_r)＝20lg(M_H)-120

M_JL＝20lg(M_J/M_r)＝20lg(M_J)-120

式中，M_r為自由場靈敏度基準(zhǔn)值M_r＝1V/μP_a。

(8)下面以哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點實驗室的消聲水池和混響箱為例，對本發(fā)明做詳細說明。發(fā)射換能器采用EDO6829-17k無指向性聲源，互易換能器采用B&K8105，接收換能器采用RHS(A)-20，接收換能器校準(zhǔn)頻率范圍：2k-20kHz。功率放大器采用B&K2713，數(shù)據(jù)采集器采用B&KPULSE3560E動態(tài)信號分析儀。

根據(jù)校準(zhǔn)最低頻率，由公式：

式中，待校準(zhǔn)水聲換能器的最低頻率f_l＝2kHz，水中聲速c₀＝1450m/s。計算得到校準(zhǔn)所需混響水池容積最小值為：40.5m³。實驗室中混響箱長9m，寬3.1m，水深1.6m，混響箱內(nèi)水的體積為44.6m³，根據(jù)圖11可見，混響箱體積大于所需混響水池最小容積。因此，選擇該混響箱滿足水聲換能器互易校準(zhǔn)實驗要求。

對混響箱進行混響移動區(qū)劃分。混響移動區(qū)分為發(fā)射移動區(qū)域和接收移動區(qū)域。兩個混響移動區(qū)邊界與池壁(包括池底)和水面的距離大于校準(zhǔn)最低頻率波長的1/4，選取距離為0.18m；兩區(qū)域間距大于測試最低頻率波長的2倍，選取距離為3m。由于混響箱在長度方向上為對稱結(jié)構(gòu)，因此兩個混響移動區(qū)劃分為對稱的兩個尺寸為2.82m×2.74m×1.24m的立方體區(qū)域。如圖5圖6所示。

在水聲技術(shù)重點實驗室消聲水池中，將發(fā)射換能器和接收換能器放置于消聲水池5m深處，二者等效聲中心間距r＝2m。信號源在2k-20kHz范圍內(nèi)按1/3倍頻程輸出單頻連續(xù)正弦信號，電信號有效值800mV，功放調(diào)至40dB固定增益檔位，采集頻率分辨率4Hz，分析頻率范圍0-25.6kHz。測量水聽器開路輸出電壓e_test折算到聲源等效聲中心1m遠處開路輸出電壓e_f。

e_f＝e_test·r

將發(fā)射換能器和接收換能器放置于混響箱中，發(fā)射換能器置于發(fā)射移動區(qū)域，接收換能器置于接收移動區(qū)域。采用與消聲水池測量相同的發(fā)射接收參數(shù)，采用本發(fā)明中說明的空間平均法測量。其中數(shù)據(jù)采集器設(shè)定采集時間120s,共采集點數(shù)N＝480。數(shù)據(jù)采集器采集到的開路輸出電壓有效值e_i，計算輸出開路輸出電壓<e_r>：

根據(jù)消聲水池測量得到的開路輸出電壓e_f和混響箱中測得的開路輸出電壓<e_r>，由公式：

計算得到混響箱中混響水池互易常數(shù)J_r。式中，水的密度ρ＝1000kg/m³，該混響箱互易常數(shù)計算值如圖7所示。

進行混響箱中水聲換能器互易校準(zhǔn)測量。在功率放大器與發(fā)射器之間低電位上串聯(lián)一個1Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻，并用數(shù)據(jù)采集器測量標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓<e_in>，測量的電阻兩端電壓即發(fā)射器的輸入電流i。

第一步：將發(fā)射換能器F作為發(fā)射器置于發(fā)射移動區(qū)域，互易水聽器H和接收換能器J作為接收器置于接收移動區(qū)域。信號源在2k-20kHz范圍內(nèi)按1/3倍頻程輸出單頻連續(xù)正弦信號，有效值800mV，功率放大器調(diào)至40dB，固定增益檔位，采集頻率分辨率4Hz，分析頻率范圍0-25.6kHz，數(shù)據(jù)采集器設(shè)定采集時間120s,共采集點數(shù)N＝480。采用空間平均法測量互易換能器開路電壓<e_FH>和接收換能器的開路輸出電壓<e_FJ>。

第二步：將互易換能器H作為發(fā)射器置于發(fā)射移動區(qū)域，接收換能器J作為接收器置于接收移動區(qū)域。保持其它參數(shù)不變，僅將功率放大器放大倍數(shù)調(diào)至30dB。調(diào)節(jié)頻率，開始測量，采用空間平均法進行發(fā)射器和接收器的空間移動，并測量接收換能器開路輸出電壓<e_HJ>，同時測量測量標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓<e_H>。

根據(jù)以上兩步測量數(shù)據(jù)，根據(jù)公式：

計算得到互易換能器H的自由場靈敏度M_H和接收換能器J的自由場電壓靈敏度M_J。

將計算得到的兩只換能器自由場中電壓靈敏度級與出廠時采用自由場校準(zhǔn)結(jié)果對比如圖7和圖8所示。

結(jié)果分析：采用本發(fā)明提供的混響水池水聲換能器互易校準(zhǔn)方法，校準(zhǔn)結(jié)果與出廠時采用自由場校準(zhǔn)結(jié)果非常吻合，互易換能器測量誤差小于0.5dB，接收水聽器測量誤差小于0.7dB。隨著頻率的增加，測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。對校準(zhǔn)結(jié)果進行不確定度分析，標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖10所示，測量得到的互易換能器靈敏度級最大標(biāo)準(zhǔn)差不超過0.3dB，A類不確定度為0.12dB。接收換能器最大標(biāo)準(zhǔn)差不超過0.32dB，A類不確定度為0.13dB。因此采用本方法進行水聲換能器互易校準(zhǔn)是完全可信的。互易法校準(zhǔn)的不確定度當(dāng)頻率低于100kHz時優(yōu)于0.7dB。