成浩 ，陳洪娟 ，李佳桐

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矢量水聽器低頻絕對校準(zhǔn)裝置研究

成浩1，陳洪娟2，李佳桐3

(1. 海軍研究院，上海 200235；2.哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001；3. 中國電子科技集團(tuán)第32研究所，上海 201808)

提出了矢量水聽器低頻絕對校準(zhǔn)裝置。首先給出了矢量水聽器絕對校準(zhǔn)的原理，通過測量聲源輻射面的加速度，利用駐波管中平面駐波聲場中的聲壓、質(zhì)點(diǎn)振速和質(zhì)點(diǎn)加速度在垂直方向上的分布規(guī)律，得出了校準(zhǔn)計(jì)算公式；之后對校準(zhǔn)裝置中平面駐波場在垂直方向上的分布規(guī)律進(jìn)行了測量驗(yàn)證，并對測量用加速度計(jì)進(jìn)行了校準(zhǔn)；最后對待校矢量水聽器的靈敏度和指向性進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：在10～315 Hz頻帶內(nèi)，矢量水聽器低頻絕對校準(zhǔn)裝置在±1 dB誤差允許范圍內(nèi)，可用于矢量水聽器的絕對校準(zhǔn)。

矢量水聽器；低頻校準(zhǔn)；絕對校準(zhǔn)

0 引言

隨著矢量水聽器在工程中的廣泛應(yīng)用，使得人們對矢量水聽器性能的評價(jià)越來越關(guān)注，對矢量水聽器的靈敏度和指向性進(jìn)行校準(zhǔn)可以準(zhǔn)確地了解矢量水聽器性能的優(yōu)劣。目前對矢量水聽器進(jìn)行校準(zhǔn)一般采用振動(dòng)液柱法[1 ]或駐波管比較校準(zhǔn)法[2-4 ]，工作頻帶一般在20 Hz以上，但對于頻率范圍為10～20 Hz的甚低頻段開展矢量水聽器的絕對校準(zhǔn)裝置研究較少，本文在駐波管校準(zhǔn)裝置的基礎(chǔ)上，利用駐波聲場的特性，通過理論研究和實(shí)踐操作，在10～315 Hz頻率范圍內(nèi)，建立了可以對矢量水聽器進(jìn)行絕對校準(zhǔn)的裝置。

1 矢量水聽器絕對校準(zhǔn)原理

水聽器的校準(zhǔn)可以分為一級校準(zhǔn)和二級校準(zhǔn)兩個(gè)級別[5 ]。在二級校準(zhǔn)中，通常使用標(biāo)準(zhǔn)水聽器對待校水聽器進(jìn)行校準(zhǔn)，也就是通常所說的比較校準(zhǔn)法，而在一級校準(zhǔn)中可以使用已校準(zhǔn)的振蕩器、放大器、電壓表和阻抗電橋等儀表，但不能使用已校準(zhǔn)的換能器。也就是說，在一級校準(zhǔn)法中，使用的各換能器的接收靈敏度或發(fā)送響應(yīng)都是未知的，一級校準(zhǔn)法也稱之為絕對校準(zhǔn)法。

1.1 校準(zhǔn)原理

在駐波管中進(jìn)行矢量水聽器的絕對校準(zhǔn)，需要在駐波管中建立穩(wěn)定的平面駐波場，通過底部安裝好的輻射面板向駐波管內(nèi)垂直向上發(fā)射聲波，聲波在管口附近的水-空氣界面發(fā)生反射，建立起穩(wěn)定的駐波聲場。待校水聽器的靈敏度通過直接測量水聽器的開路電壓和間接測量作用在水聽器上的實(shí)際聲壓求得，而作用在水聽器上的實(shí)際聲壓是利用介質(zhì)的聲阻抗和邊界條件以及聲源的參數(shù)來求得的。

1.2 校準(zhǔn)公式

將式(1)代入到歐拉公式中，得到駐波管內(nèi)聲場中質(zhì)點(diǎn)振速的表達(dá)式為

對式(3)進(jìn)行微分，可以得到駐波管聲場中加速度的表達(dá)式為

根據(jù)加速度靈敏度與聲壓靈敏度之間的關(guān)系，可以得到矢量水聽器矢量通道的自由場聲壓靈敏度公式為

最終可以得到矢量水聽器矢量通道的自由場聲壓靈敏度級的計(jì)算公式為

2 矢量水聽器絕對校準(zhǔn)裝置

駐波管絕對校準(zhǔn)裝置由聲管、信號源、功率放大器、電動(dòng)換能器、輻射板、測量放大器、濾波器、示波器等儀器組成。聲管底部安裝有輻射板，輻射板由電動(dòng)換能器驅(qū)動(dòng)向聲管中輻射聲波，聲波在聲管口的空氣-水界面處發(fā)生反射，從而在聲管內(nèi)形成駐波場。電動(dòng)換能器的發(fā)射信號由信號源控制，輻射板的中心剛性固定一只經(jīng)過校準(zhǔn)的加速度計(jì)，用于測量輻射板上的加速度。絕對校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)框圖和實(shí)物圖如圖1和圖2所示。

圖1 絕對校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)框圖

圖2 矢量水聽器絕對校準(zhǔn)裝置

校準(zhǔn)裝置中駐波管的口徑為45 cm，深度為65 cm；底部輻射板直徑為25 cm。根據(jù)圓管中駐波聲場理論[7 ]，活塞聲源振動(dòng)頻率應(yīng)低于管中傳播的最低階次(0,1)簡正波的截止頻率，管中只存在(0,0)階簡正波，這樣可以保證駐波管中的聲場在水平方向上為平面波，在垂直方向上符合駐波聲場中的聲傳輸理論[1 ]。在工作頻帶內(nèi)，若不能保證輻射面的振幅和相位一致，也即聲源為非對稱聲源，則駐波管中(0,1)階簡正波的計(jì)算公式為[8 ]

當(dāng)活塞聲源振動(dòng)頻率低于此截止頻率時(shí)，(0,1)階簡正波不能被激發(fā)，管中只存在(0,0)階簡正波。經(jīng)計(jì)算，駐波管校準(zhǔn)腔中(0,1)階簡正波的截止頻率為1 900 Hz，可以滿足10～315 Hz工作頻帶的要求。

校準(zhǔn)裝置中需要用加速度計(jì)測量輻射板中心處的加速度值，用以推導(dǎo)出待校水聽器所在位置處的聲壓值，因此加速度計(jì)在工作頻帶范圍內(nèi)受到恒定振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，其電壓輸出應(yīng)維持不變，這就要求加速度計(jì)在工作頻帶內(nèi)有一個(gè)平坦的加速度靈敏度響應(yīng)。除此之外還需要考慮加速度計(jì)的線性度和動(dòng)態(tài)范圍，對于加速度計(jì)的線性度，要求加速度計(jì)的輸出在工作頻帶內(nèi)必須與輸入呈線性關(guān)系，動(dòng)態(tài)范圍盡量寬，以保證標(biāo)準(zhǔn)矢量水聽器可以在寬工作頻帶內(nèi)工作。

在B&K4808振動(dòng)臺校準(zhǔn)系統(tǒng)上對加速度計(jì)的靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 加速度計(jì)靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果

從測試結(jié)果中可以看出，加速度計(jì)的靈敏度頻響曲線比較平坦，其加速度靈敏度在10～350 Hz范圍內(nèi)基本保持在940 mV.m-1.s2)左右。

圖4 10 Hz條件下軸向質(zhì)點(diǎn)加速度場的測量結(jié)果

圖5 315 Hz條件下軸向質(zhì)點(diǎn)加速度場的測量結(jié)果

從圖4可知，軸向質(zhì)點(diǎn)加速度場的實(shí)測曲線與理論曲線符合得很好，各個(gè)頻點(diǎn)所測得的質(zhì)點(diǎn)加速度沿軸向分布與理論值的偏差均在0.3 dB以內(nèi)，說明絕對校準(zhǔn)裝置能夠達(dá)到較高的精度。

3 矢量水聽器的性能測試

以某大學(xué)研制的同振式柱形矢量水聽器為測量對象，該矢量水聽器為二維矢量通道，長度為173 mm，直徑為42 mm，設(shè)計(jì)靈敏度為-173.3 dB(160 Hz，0 dB=1 V/μPa)。

3.1 靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果

在絕對校準(zhǔn)裝置上對待校矢量水聽器進(jìn)行校準(zhǔn)，矢量水聽器矢量通道的自由場聲壓靈敏度的校準(zhǔn)公式由1.2節(jié)中絕對校準(zhǔn)方法的式(7)給出。將標(biāo)準(zhǔn)矢量水聽器放置在聲管中的合適位置，通過記錄標(biāo)準(zhǔn)矢量水聽器的輸出和輻射板上加速度計(jì)的輸出，就可以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)矢量水聽器的自由場聲壓靈敏度。為了與傳統(tǒng)的駐波場中的相對校準(zhǔn)法作比對，同時(shí)將B&K8104標(biāo)準(zhǔn)水聽器放入聲管中，對標(biāo)準(zhǔn)矢量水聽器進(jìn)行相對校準(zhǔn)。絕對校準(zhǔn)與相對校準(zhǔn)的校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

表1 聲壓靈敏度絕對校準(zhǔn)與相對較準(zhǔn)的結(jié)果(dB)

絕對校準(zhǔn)結(jié)果與相對校準(zhǔn)結(jié)果的對比曲線如圖6所示。

圖6 兩種聲壓靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果的對比曲線

校準(zhǔn)結(jié)果顯示，待校矢量水聽器的自由場聲壓靈敏度的頻響曲線符合每1/3倍頻程增加2 dB的規(guī)律，在10～315 Hz測量頻帶范圍內(nèi)，待校矢量水聽器矢量通道的靈敏度頻響曲線與相對校準(zhǔn)結(jié)果相比更為平穩(wěn)，其自由場聲壓靈敏度的不均性小于±1 dB。在160 Hz頻點(diǎn)上絕對校準(zhǔn)結(jié)果為-174.6 dB，與理論設(shè)計(jì)值基本符合，考慮到矢量水聽器聚氨酯外殼的透聲性能[9 ]和系統(tǒng)不確定度的影響，校準(zhǔn)結(jié)果與理論偏差應(yīng)在±1 dB的范圍內(nèi)。

在10～20 Hz的甚低頻段，相對校準(zhǔn)結(jié)果相比于絕對校準(zhǔn)出現(xiàn)了明顯的偏差，低頻段校準(zhǔn)曲線的變化趨勢不符合矢量水聽器靈敏度的變化規(guī)律。其原因在于，在甚低頻段，外界傳來的噪聲和振動(dòng)會明顯影響到同振式矢量水聽器的校準(zhǔn)精度，相對校準(zhǔn)法中使用的標(biāo)準(zhǔn)聲壓水聽器通過與之相連的懸掛裝置極易受到外界干擾，同時(shí)，在甚低頻段發(fā)射換能器聲源級過低，導(dǎo)致駐波管內(nèi)聲場的信噪比較低，相對校準(zhǔn)法需要由標(biāo)準(zhǔn)聲壓水聽器測得的聲壓作為傳遞值傳遞給矢量水聽器。在信噪比較低的情況下，測得的聲壓值精確度較低，如果增大放大器的輸出則容易引起聲場畸變，因此在甚低頻段相對校準(zhǔn)結(jié)果偏差較大。絕對校準(zhǔn)通過加速度計(jì)直接測量底部輻射板的加速度值，排除了外界的干擾因素，在不引起聲場畸變的情況下，可以通過測得的加速度值計(jì)算得到待校矢量水聽器所在位置處的聲壓值，因此校準(zhǔn)精度較高。

3.2 指向性校準(zhǔn)結(jié)果

矢量水聽器指向性的測量在絕對校準(zhǔn)裝置自動(dòng)測量系統(tǒng)中進(jìn)行，由電腦控制電機(jī)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，標(biāo)準(zhǔn)矢量水聽器的輸出電壓由采集器采集并存儲到電腦中進(jìn)行處理。對標(biāo)準(zhǔn)矢量水聽器的指向性進(jìn)行測量時(shí)，為保證水聽器的輸出值不受電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)的影響，將標(biāo)準(zhǔn)矢量水聽器由彈簧懸掛在支架上，電機(jī)帶動(dòng)支架旋轉(zhuǎn)。

對待校矢量水聽器在20 Hz頻率點(diǎn)上的指向性進(jìn)行測量，并繪制成指向性圖，如圖7所示。從測量結(jié)果來看，絕對校準(zhǔn)裝置在20 Hz頻率點(diǎn)上具有較高的信噪比，可以滿足實(shí)驗(yàn)測試的需求。

圖7 矢量水聽器20 Hz的指向性校準(zhǔn)結(jié)果

4 結(jié)論

矢量水聽器在工程應(yīng)用上越來越趨于低頻、小型化和高靈敏度，對于甚低頻段矢量水聽器的校準(zhǔn)技術(shù)的研究顯得尤為重要。本文對矢量水聽器絕對校準(zhǔn)裝置進(jìn)行了理論分析和聲場驗(yàn)證測量，最后對矢量水聽器進(jìn)行了校準(zhǔn)。從校準(zhǔn)結(jié)果來看，提出的矢量水聽器絕對校準(zhǔn)裝置可以對矢量水聽器在10～315 Hz的頻帶范圍內(nèi)進(jìn)行聲壓靈敏度的絕對校準(zhǔn)和指向性校準(zhǔn)，靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果的不均勻性小于±1 dB。本校準(zhǔn)裝置的建立可以為后續(xù)建立矢量水聽器一級校準(zhǔn)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

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Research on low frequency absolute calibration apparatus of acoustic vector hydrophone

CHENG Hao1, CHEN Hong-juan2, LI Jia-tong3

(1. Navy Institution of Standard and Specification, Shanghai 200235,China;2. Underwater Acoustic Engineering College, Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China;3.China Electronic Technology Group Corporation thirty-second Research Institute, Shanghai 201808,China)

Low frequency absolute calibration apparatus of acoustic vector hydrophone is studied and proposed. The theory of acoustic vector hydrophone absolute calibration is introduced. By measuring the acceleration of radiation surface on the bottom of the tube and using the distribution patterns of pressure and particle in the vertical direction in plane standing wave sound field, the calibration formula is obtained. The radiation surface of the calibration apparatus is improved, and the accelerometer for measuring radiation surface is calibrated. Finally, both the sensitivity and directivity of an acoustic vector hydrophone are tested by the absolute calibration apparatus. The results show that in the allowable error range of ±1 dB, the absolute calibration apparatus can be used for absolute calibration of acoustic vector hydrophone within the 10～315 Hz frequency range.

acoustic vector hydrophone; low frequency calibration; absolute calibration

TB566

A

1000-3630(2018)-03-0292-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.03.018

2017-10-09;

2017-12-01

成浩(1989－), 男, 河北定州人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樗晸Q能器器及測量技術(shù)。

成浩, E-mail: cheng008cheng008@126.com