CN102661781A - 一种水听器灵敏度测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于水声传感领域，特别是涉及一种水听器灵敏度测试装置，包括振动台、内盛有测量媒质的刚性壁圆管、加速度计、支架和计算机，其中，刚性壁圆管的一端开口，底部固连在振动台上，并固定有一个加速度计，需要测试灵敏度的水听器悬挂在一个支架上，并垂直地悬挂于容器中液柱的中心轴线上；计算机通过信号发生器和功率放大器控制振动台，加速度计的输出信号及需要测试灵敏度的水听器的输出信号分别通过两个信号调理电路的调理后被送入计算机，计算机根据两个输入信号的大小计算水听器的灵敏度。本发明能够缩小误差范围，提高灵敏度测量的准确性。

Description

一种水听器灵敏度测试装置

技术领域

本发明属于水声传感领域，特别是涉及一种水听器灵敏度测试装置。

技术背景

水听器又称为水下传声器，是水下声信号转化成电信号的的换能器，根据作用原理、换能原理、特性及构造等的不同，有声压、振速、无向、指向、压电、磁致伸缩、电动(动圈)等水听器之分。水听器与传声器在原理、性能上有很多相似之处，但由于传声媒质的区别，水听器具有坚固的不透水构造，且须采用抗腐蚀材料的防水电缆。

水听器作为水声学中应用最广泛、最重要的一种装置，经常用于海底勘探设备以及各种电缆设备中，这些设备对其声压灵敏度要求比较高，因此在水听器使用前需要对其声压灵敏度进行测试。

水听器声压灵敏度测试方法中常见的方法是比较法，比较法的原理为：首先已知一个标准水听器的灵敏度，信号发生器给声箱(上面是一个竖直的圆筒)提供不同频率和幅值的信号，声箱的圆筒上面固定一个前置放大器，前置放大器的输出端连接示波器。在一定的频率和幅值的信号下，首先把标准水听器放入圆筒内，通过示波器记下信号的幅度，然后把待测水听器放入圆筒内(高度要和标准水听器放置的高度一致)，通过示波器记下信号的幅度，通过这两次测量得到的幅度值就可以根据公式计算出待测水听器的灵敏度，一般为了准确性可以多设置几个不同的频率，多计算几次灵敏度值然后求平均值，得出待测水听器的灵敏度。比较法的缺陷是准确度低，因为待测水听器和标准水听器的测试高度必须要一致，才具有可比较性，而这个高度通常会存在误差，而且还需要在实验室里借助示波器完成灵敏度测试，存在不方便之处。

发明内容

基于以上问题，本发明提出一种准确度好，体积紧凑，便于便携的水听器灵敏度测试装置。本发明的技术方案如下：

权利要求书

一种水听器灵敏度测试装置，包括振动台、内盛有测量媒质的刚性壁圆管、加速度计、支架、采集卡和计算机，其中，刚性壁圆管的一端开口，底部固连在振动台上，并固定有一个加速度计，需要测试灵敏度的水听器悬挂在一个支架上，并垂直地悬挂于容器中液柱的中心轴线上；计算机通过信号发生器和功率放大器控制振动器，加速度计的输出信号及需要测试灵敏度的水听器的输出信号分别通过两个信号调理电路的调理后通过采集卡变成数字信号，通过USB总线传输到计算机，计算机根据两个输入信号的大小计算水听器的灵敏度。

上述的测试装置，在低频时，根据

计算水听器的灵敏度；在高频时，根据 $M_j=\frac{M_a}{\mathrm{\ρh}}\×\frac{U_J}{U_a}\left(\frac{\mathrm{kh}\cos \mathrm{kl}}{\sin \mathrm{kh}}\right)$ 计算水听器的灵敏度，

式中：M_j——水听器的声压灵敏度；

U_J——水听器输出端的开路电压；

ρ——液体的密度；

h——水听器声中心至液面的深度；

M_a——加速度计的灵敏度；

U_a——加速度计输出端的开路电压；

k——波数(＝w/c，w＝2πf)；

f——液体振动的频率；

c——液柱中的声速；

l——液柱的高度。

本发明的测试装置，相对比较法而言，不用测量标准水听器输出信号的幅值，直接测试待测的水听器的输出电压就可以求得其灵敏度值，这样就少了一步通过示波器读数的环节，因为通过示波器读数的时候会存在一定的误差，从而缩小了误差范围，提高了灵敏度测试的准确性。同时也少了与标准水听器相比较的环节，提高了测试效率。

附图说明

图1是本发明的水听器灵敏度测试装置采用的液柱测试容器的结构示意图。

图2是本发明的水听器灵敏度测试装置的电路部分的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做说明。

参见图1，本发明的水听器灵敏度测试装置，首先包括一个放置在振动台6上的液柱测试容器，它包括一个内径远小于管中液体声波波长的，一端开口的刚性壁圆管1，内盛有一定高度的液体作为测量媒质，整个液柱测试容器由可以正弦振动的振动台6驱动，需要测试灵敏度的水听器3悬挂在一个支架的上，并垂直地悬挂于容器中液柱的中心轴线上。振动台6与刚性壁圆管1的底部之间通过法兰4固定连接。在刚性壁圆管1的底部固定安装一只加速度计，用来测量刚性壁圆管1的加速度，当刚性壁圆管1随振动台6一起振动时，水听器3所在位置的声压发生变化，该声压可以由液柱的高度、水听器深度及加速度计通过公式计算得出。测量原理如下：

假设整个液柱相对于它的平衡位置作整体地垂直振动，则液面下深度为h处，由压强变化产生的声压p为：

p＝ρx|g-hw²|                    (1)

w＝2πf

式中：ρ——液体密度，kg/m³；

x——容器底部的振动位移，m；

g——重力加速度，m/s²；

f——液体振动的频率，Hz；

当频率高到使：hw²＞＞g，则式(1)成为：

式中：——容器底部的振动加速度，m/s²。

若容器底部的振动加速度用加速度计来测量，则由式(2)可得水听器的声压灵敏度为：

$M_j=\frac{U_J}{\mathrm{\ρh}}\×\frac{M_a}{U_a}---\left(3\right)$

在高频时，液柱中的声压为：

则式(3)应为：

$M_j=\frac{M_a}{\mathrm{\ρh}}\×\frac{U_J}{U_a}\left(\frac{\mathrm{kh}\cos \mathrm{kl}}{\sin \mathrm{kh}}\right)---\left(5\right)$

式中：M_j——水听器的声压灵敏度，V/P_a；

U_J——水听器输出端的开路电压，V；

ρ——液体的密度，kg/m³；

h——水听器声中心至液面的深度，m；

M_a——加速度计的灵敏度，V·s²/m；

U_a——加速度计输出端的开路电压，V；

k——波数(＝w/c，w＝2πf)，m^-1；

f——液体振动的频率，H_z；

c——液柱中的声速，m/s；

l——液柱的高度，m。

由上可知，水听器的声压灵敏度可根据水听器所在液柱深度处的压强变化和测得水听器输出端的的开路电压(水听器输出端没有电流流出时，在该点呈现的瞬时电压)的比求出。具体的电路设计为：由计算机通过信号发生器和功率放大器来控制振动台的频率，加速度计适调放大器的输出电压与被测水听器开路电压分别通过两个信号调理电路的放大和滤波后，再通过采集卡传输到计算机，按照公式(3)或(5)(2kHz以上高频时候采用后一个公式)计算灵敏度。

本发明水听器的信号调理电路所采用的前置放大器为：差分信号放大器，共模抑制比大于110dB，短路噪音小于1uV，直流偏移小于10Uv，采集卡采用独立的双通道同步采集卡，采样精度为24位，可以采集到的最小有效信号的幅度达到了0.5uV，采样速率为500KS/s，通道间的串扰小于-100dB。采集卡与计算机的接口为USB接口，支持热插拔，方便连接，提高了工作效率。

Claims (2)

1.一种水听器灵敏度测试装置，包括振动台、内盛有测量媒质的刚性壁圆管、加速度计、支架和计算机，其中，刚性壁圆管的一端开口，底部固连在振动台上，并固定有一个加速度计，需要测试灵敏度的水听器悬挂在一个支架上，并垂直地悬挂于容器中液柱的中心轴线上；计算机通过信号发生器和功率放大器控制振动台，加速度计的输出信号及需要测试灵敏度的水听器的输出信号分别通过两个信号调理电路的处理后被送入计算机，计算机根据两个输入信号计算水听器的灵敏度。

2.根据权利要求1所述的水听器灵敏度测试装置，其特征在于，在低频时，根据计算水听器的灵敏度；在高频时，根据

计算水听器的灵敏度，

式中：M_j——水听器的声压灵敏度；

U_J——水听器输出端的开路电压；

ρ——液体的密度；

h——水听器声中心至液面的深度；

M_a——加速度计的灵敏度；

U_a——加速度计输出端的开路电压；

k——波数(＝w/c，w＝2πf)；

f——液体振动的频率；

c——液柱中的声速；

l——液柱的高度。

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