一种低频换能器谐振点发射响应的测量方法和系统转让专利
申请号 : CN202010222746.2
文献号 : CN111586546B
文献日 : 2021-08-17
发明人 : 贾广慧 , 陈毅 , 平自红 , 王世全 , 张军 , 杨柳青
申请人 : 中国船舶重工集团公司第七一五研究所
摘要 :
权利要求 :
1.一种低频换能器谐振点发射响应的测量方法,其特征在于:该方法包括如下步骤:(1)根据测量频率范围,利用信号发射器产生具有一定带宽并且相互正交的线性扫频信号Fsin和Fcos,并将该信号通过线性功率放大器进行功率放大;
(2)通过功率放大后的正交信号激励低频发射换能器在水下产生声信号;
(3)宽带灵敏度为M0(f)的标准水听器在水下与发射换能器位于同一深度,并且与发射换能器的距离为d0,该标准水听器分别接收发射换能器在水下产生的正交声信号,并在末端输出开路电压信号Us0和Uc0;
(4)通过电流电压取样器对激励发射换能器的发射正交电流信号和发射正交电压信号进行取样,并按照电流取样α:1和电压取样β:1的比例将正交电流信号和正交电压信号都转换为电压信号进行输出,取样后的发射正交电压信号分别为UVs和UVc,取样后的发射正交电流信号为UIs和UIc,发射电流信号以电压的形式输出,输出电流与电压的比为α:1;
(5)将步骤(3)和步骤(4)中采集到的数据存储到PXI控制器或计算机中,并根据发射与接收所构成的线性响应系统对电压信号和电流信号进行相位修正,保证发射信号与接收信号的一一对应关系;
(6)重复步骤(1)~步骤(5)n次,得到的n组信号进行非相干平均处理,用以在低频消除噪声的影响,得到对应的水听器正交开路电压信号U′s0和U′c0、发射换能器发射正交电压信号U′Vs和U′Vc和发射正交电流信号U′Is和U′Ic;
(7)利用步骤(6)得到的信号数据,根据式(1)构造复数信号,得到其随频率变化的响应:
(8)根据发射换能器的性能,估计频率响应函数s(f),同时利用该估计频率响应函数和窗函数对系统的传递函数进行多次积分平均处理,消除水池混响所带来的影响,逐渐逼近发射换能器的真实频率响应曲线,得到传递函数的宽带频率响应;
(9)利用式(2)和式(3)得到待测发射换能器的宽带发射电流响应级SI和宽带发射电压响应级SV:
其中,M0(f)为标准水听器的宽带灵敏度级;α为发射电流取样系数;β为发射电压取样系数;d0为发射换能器和标准水听器的距离。
2.根据权利要求1所述的低频换能器谐振点发射响应的测量方法,其特征在于:所述的
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相互正交的线性扫频信号的表达式为:Fsin=sin(2πf0t+sπt)和Fcos=cos(2πf0t+sπt),其中,s为扫频率,s=(fx‑f0)/t1,f0为起始频率,fx为终止频率,t1为从f0变化到fx所用的扫频时间,此时信号的时间和频率的关系表示为:f=f0+s×t(0≤t≤t1)。
3.根据权利要求1所述的低频换能器谐振点发射响应的测量方法,其特征在于:所述步骤(8)中,将整个系统抽象成一个输入和输出函数,输入信号分别为 和 输出信号为 此时系统的传递函数分别为 和
4.根据权利要求1所述的低频换能器谐振点发射响应的测量方法,其特征在于:所述步骤(8)中,对发射换能器的低频发射响应进行预估,假设换能器发射响应的预估曲线为s(f),它是一个随频率变化的曲线,并且其带宽特性符合被测发射换能器的频率响应特性,然后系统的传递函数 和 和预估曲线s(f)作为一个整体在带宽Δfwi内进行积分平均处理,即:
其中,Δtdi为第i个反射波对应的时间延迟,取最小的两个时间延迟;Δfwi为第i个积分平均矩形窗的宽度,Δfwi=1/Δtdi;
此时,经过1次积分平均后的系统传递函数表示为:其中, 为经过一次迭代逼近后,换能器发射电流与水听器开路电压的传递函数;
为经过一次迭代逼近后,换能器发射电压与水听器开路电压的传递函数;
此时,令 构成新的预估函数,并代入到式(4)和(5)中,得到 和 再代入式(6),得到 和再令 构成新的预估函数,再次代入到式(4)、(5)和(6)中,然后得到 和 ……,以此类推;由于发射电流传递函数和发射电压传递函数的响应不同,这两个传递函数分别迭代m次和k次,最终得到传递函数 和此时传递函数无限接近于真实值,这两个传递函数迭代次数满足以下条件:
5.根据权利要求4所述的低频换能器谐振点发射响应的测量方法,其特征在于:将得到传递函数代入式(2)和式(3)中,计算发射换能器的发射电流响应和发射电压响应。
6.根据权利要求1所述的低频换能器谐振点发射响应的测量方法,其特征在于:所述步骤(9)中水听器的灵敏度必须经过宽带校准,水听器的宽带灵敏度都是通过离散化来实现的,即相邻频点的频率差为Δf,需要保证离散化后的宽带响应覆盖发射换能器的测试频率范围,并且频率分辨力与M0(f)的分辨力相同,若两者出现不同,需要对M0(f)做插值和抽样处理。
说明书 :
一种低频换能器谐振点发射响应的测量方法和系统
技术领域
背景技术
校准的研究对保障水声换能器和水听器的研制和实际应用具有重要作用。
声源级,通常需要其工作在谐振点附近。当换能器工作在谐振点附近时,其频率响应通常较
高,并且谐振点与附近的其他频点的频率响应差别较大,因此需要对低频换能器谐振点附
近及两边频带内的发射响应进行测量。
但是这种测量方法需要在湖上和海上建立相应配套的调放和固定装置,人力和物力成本较
高。同时,这种外场实验在测量时通常伴随着较大的背景噪声,这对测量的准确度产生了较
大的影响。为了方便测量,目前人们通常在实验室中建立消声水池,用来模拟发射换能器工
作的自由场环境。消声水池的体积有限,为了消除水池边界和水面带来的反射,消声水池的
五个表面及水面通常铺设消声尖劈,在消除反射波的同时,可以降低水池的混响。在换能器
发射响应的测量中,脉冲声技术一直是水下电声参数测量中最为常用的技术手段,该方法
通过发射有限周期的单频脉冲信号,可以在时间上将直达信号和反射信号进行分离,以降
低水池边界反射对测量产生的影响。
为剧烈,若想得到发射换能器在谐振点处的频率响应,需要对其进行逐点测量,这样测量不
仅误差较大,而且用普通脉冲信号进行测量时,比较浪费时间。
发明内容
频换能器发射响应测量,可以在有限水域中实现低频发射换能器谐振点附近发射参数的宽
带测量,直接得到发射换能器在整个频段的频率响应。同时,结合发射换能器先验函数估计
和多次迭代与积分平均方法,消除由于积分平均造成的发射换能器发射响应曲线畸变,提
升低频发射换能器发射响应测量精度。
在末端输出开路电压信号Us0和Uc0;
都转换为电压信号进行输出,取样后的发射正交电压信号分别为UVs和UVc,取样后的发射正
交电流信号为UIs和UIc(发射电流信号以电压的形式输出,输出电流与电压的比为α:1);
收信号的一一对应关系;
U′Vs和U′Vc和发射正交电流信号U′Is和U′Ic;
换能器的真实频率响应曲线,得到传递函数的宽带频率响应;
f0t+sπt),其中,s为扫频率,s=(fx‑f0)/t1,f0为起始频率,fx为终止频率,t1为从f0变化到
fx所用的扫频时间,此时信号的时间和频率的关系可以表示为:f=f0+s×t(0≤t≤t1)。
率响应特性,然后系统的传递函数 和 和预估曲线s(f)作为一个整体在带宽Δ
fwi内进行积分平均处理,即:
递函数的响应不同,这两个传递函数分别迭代m次和k次,最终得到传递函数 和
此时传递函数无限接近于真实值,这两个传递函数迭代次数满足以下条件:
Δf。因此,需要保证离散化后的宽带响应覆盖发射换能器的测试频率范围,并且频率分辨
力与M0(f)的分辨力相同,若两者出现不同,需要对M0(f)做插值和抽样处理。
关、前置放大器、滤波器、数据采集与存储单元、PXI控制器或计算机;其中,水听器在水下与
发射换能器位于水池的同一深度,信号发射器通过线性功率放大器、电流电压取样器与发
射换能器相连接;水听器通过电子开关、前置放大器、滤波器、数据采集与存储单元和PXI控
制器或计算机相连接;电流电压取样器对激励发射换能器的发射正交电流信号和发射正交
电压信号进行取样输出至电子开关。
附图说明
具体实施方式
射器1(任意函数发生器),并且在测量频带内具有平坦的频率响应;(2)线性功率放大器2,
该功率放大器在测量频带对输入电压和输入电流的幅度和相位内具有线性响应;(3)前置
放大器8,该前置放大器具有较高的阻抗和较低的噪声,并且在测量频率范围内具有相位一
致性;(4)滤波器9,该滤波器的滤波频率范围覆盖测量频率范围,带外衰减不小于48dB/
oct;(5)电流电压取样器3,电流电压取样器具有线性幅度和相位响应,并且幅度相应可调;
(6)数据采集与存储单元10,该数据采集系统具有双通道,并且采样率大于10倍被测宽带信
号的最高频率,双通道的一致性偏差不高于1%;(7)电子开关7,具有四通道选通功能,并且
通道之间的隔离度大于80dB;(8)PXI控制器或计算机11,用于产生测量所需要的复数扫频
信号。其中,水听器6在水下与发射换能器4位于水池5的同一深度,信号发射器1通过线性功
率放大器2、电流/电压取样器3与发射换能器4相连接;水听器6通过电子开关7、前置放大器
8、滤波器9、数据采集与存储单元10和PXI控制器或计算机11相连接;电流/电压取样器3对
激励发射换能器4的发射正交电流信号和发射正交电压信号进行取样输出至电子开关7。
0.7dB。
换能器的主波束中心对准标准水听器的球心(声中心),发射换能器主波束等效声源与标准
水听器的声中心的距离为d0。
(f))、声波传输和声电转换(A2(f))的过程。其中声波在声场中传播的过程中出现了线性幅
度变化和相移,幅度和相位的变化主要由传播距离损失和标准水听器的灵敏度所引起的。
为了保证发射电流与发射电压和水听器接收的电压在时间和频率上一一对应,这里需要对
其进行相位修正。声波在水中传播会产生时间延迟,该延迟时间为:t0=d0/c,其中,d0为发
射换能器与水听器的距离,c为水中声波的声速,该声速可以通过查表获得。幅度增量G的修
正值为=1/d0;而相位偏移则需要根据该延迟时间对输入信号和输出信号进行修正,假设
数据采集系统的采样率为s,则相移修正点数为N=s×t0;
计算得到,进而得到第i个反射波与直达波的时间差Δti=ti‑t0,t0为上述声波延迟时间,
通常i取1~2。
别为Ssin=sin(2πf0t+sπt)和Scos=cos(2πf0t+sπt),其中,s=(fx‑f0)/t1,f0为起始频率,
fx为终止频率,t1为扫频时间。该信号通过功率放大器激励发射换能器在水下产生线性扫频
信号。水听器接收该声信号,并在末端输出开路电压信号,开路电压信号通过前置放大器进
行阻抗匹配和前置放大及滤波器滤波后,输出相互正交的开路电压信号U0c和U0s,并输入到
数据采集系统进行数据采集和保存。同时,通过电流电压取样器对激励功率放大器的发射
电流信号和开路电压信号按照α:1和β:1进行取样,分别得到发射电流信号UIc和UIs和发射
电压信号UVc和UVs。
U′Vc(发射电压信号)和U′Is和U′Ic(发射电流信号)。
率的关系可以表示为f=s×t。由于采集系统采集的数据都是离散化的点,这里采集系统的
采样率为fs,则采样点数N=fs×t。此时对应的频率间隔为Δf=f/N;
得到的发射响应曲线失真较大。这里首先对传递函数进行先验估计,得到先验估计函数s
(f),s(f)的频率间隔为Δf。采用迭代的方法对传递函数进行积分平均处理,得到发射换能
器与接收水听器之间自由场的传递函数。
曲线,该传递函数在约500Hz频点存在一个谐振峰。当直接用连续扫频信号进行测量时,由
于受到水池边界反射波和水池本底噪声的影响,该曲线与原来的给定曲线具有较大差异,
并且伴随有较大的噪声影响,特别是在谐振点处,会有非常明显的起伏;相比较而言,使用
普通的积分平均方法时,可以一定程度上消除在谐振点处的偏差,但是与发射换能器与水
听器实际的传递函数仍然具有一定的偏差;使用本发明所述方法后,传递函数的畸变得到
了明显的好转,其响应曲线基本与真实曲线一致。图4中给出了经过两种处理方法后的传递
函数响应曲线偏差,从图中可以看出,采用本发明的方法处理后,整个频段的偏差小于
0.5dB,远优于普通的积分平均方法,这充分说明该方法在测量发射换能器传递函数的方面
具有较好的测量精度。
要通过离散化将水听器的宽带响应表示成离散点的形式,这就导致了 和 与M0
(f)由于离散化程度不同,将对应不同的离散点,并且其离散点的间距存在差异,因此需要
将M0(f)进行差值和抽样,使其的频率间隔为Δf,并且所有离散化频点要与 和
相一致。
能器测量,具有较广泛的应用。
原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领
域技术人员根据本发明的揭示,对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围
之内。