CN108037496A - 一种自由场水听器复数灵敏度精确测量方法 - Google Patents
一种自由场水听器复数灵敏度精确测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种自由场水听器复数灵敏度精确测量方法,该方法涉及自由场水声测量领域,主要用于水听器自由场互易校准。该方法首先采用复数高频脉测量发射换能器与水听器、互易换能器与水听器以及发射换能器与互易换能器之间的距离,对水听器的声中心进行修正,消除水听器声中心偏置对测量产生的影响。同时采用复数信号对水听器的复数灵敏度进行测量,通过傅里叶变换将信号从时域变换到频域,构成线性频率响应***,实现真正意义上的复数灵敏度校准。本发明能够提高水听器灵敏度相位的测量精度,弥补当前单频脉冲测量方法的不足。
Description
技术领域
本发明涉及水声测量领域,属于自由场水听器灵敏度校准技术,主要是一种自由场水听器复数灵敏度精确测量方法。
背景技术
随着水声技术的发展,水声计量对保障水声设备的性能指标以及正常使用都具有重要作用。自由场互易校准是一种经典的水听器灵敏度绝对校准方法,该方法利用电声互易原理,可以在不引入标准水听器的情况下,对水听器的灵敏度的幅度和相位开展绝对校准,大大降低了水听器灵敏度的测量不确定度。为了保证水听器灵敏度幅度和相位的测量精度,目前通常采用Luker–van Buren提出的校准***,即在测量过程中将发射换能器、被测水听器、互易换能器依次在水下排成一条直线,采用脉冲声技术分别测量每一组换能器对的转移阻抗,并最终得到水听器的灵敏度的幅度和相位。在该***中,由于发射换能器、被测水听器以及互易换能器的距离关系已知,可以消除距离对水听器灵敏度相位测量所产生的影响,因此采用这种方法可以降低灵敏度相位,特别是高频灵敏度相位校准的测量不确定度。但是,这种方法是假设被测水听器的声中心与其几何中心在同一个点的前提下,才能够消除距离对相位产生的影响。在实际的测量过程中,水听器的几何中心与声中心往往存在一定的偏差,并且悬挂***与支架***也通常导致被测水听器的实际声中心存在偏置,这使得水听器灵敏度的校准,特别是灵敏度相位的校准存在一定的误差,并且该相位误差会随着频率的增加而增加。
目前在自由场中普遍采用脉冲声技术对水听器灵敏度的幅度和相位进行测量,通过对脉冲信号进行FFT分析得到幅度和相位。该方法只能对制定频率的灵敏度在时域范围内进行测量,测量步骤相对繁琐。介于此需要开展水听器灵敏度的复数校准,通过构造复数脉冲测量水听器声中心与几何中心的偏置。通过复数信号的傅里变换,将时域信号变换到频域,不仅实现真正意义上的复数校准,同时可以实现单频校准和宽带校准。本方法在提高测量精度的同时,能够弥补传统单频脉冲测量的不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足,而提供一种自由场水听器复数灵敏度精确测量方法。主要应用于自由场互易法精确测量水听器灵敏度的幅度和相位。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。在自由场互易校准中,水听器声中心与几何中心的不一致会对水听器灵敏度幅度和相位的测量测量产生影响,特别是对灵敏度相位测量的影响较大,该相位误差会随着频率的增加而增加。本发明所述的这种自由场水听器复数灵敏度精确测量方法,首先采用复数高频脉测量发射换能器与水听器、互易换能器与水听器以及发射换能器与互易换能器之间的距离,对水听器的声中心进行修正,消除水听器声中心偏置对测量产生的影响,同时采用复数信号对水听器的复数灵敏度进行测量,通过傅里叶变换将信号从时域变换到频域,构成线性频率响应***,实现真正意义上的复数灵敏度校准。相比于普通单频脉冲校准,复数信号可通过傅里叶变换实现有时域到频域的转换,将时域信号变成***的频率响应,不仅可以实现单频校准,同时可以实现宽带信号校准,提高水声测量的效率,弥补现有单频脉冲测量的不足。
更进一步的,该方法具体包括如下步骤:
(1)、水听器声中心偏差测量方法步骤如下:
1)、信号源发射高频测距脉冲y0(t),数据采集卡采用外触发的形式,同步采集信号源发出的脉冲信号y0'(t)与发射换能器发射脉冲信号y0'(t-τ);
2)、信号源发射与步骤1)相同频率的正交信号y1(t),采用相同的方式同步采集信号源发出的脉冲信号y1'(t)与发射换能器发射脉冲信号y1(t-τ);
3)、按式(1)所示构造复数信号:
4)、通过复数信号的阶跃响应获得信号的延迟时间,并得到发射换能器与水听器声中心之间的距离dFJ、互易换能器与水听器之间的距离之间的距离dHJ以及发射换能器宇互易换能器之间的距离dFH,并按式(2)计算声中心偏差
Δd=dFH-dFJ-dHJ (2)
(2)、自由场水听器复数灵敏度校准方法步骤如下:
1)、发射换能器(互易换能器)需要分别发射两组正交的脉冲信号或宽带信号,并构成复数电压与电流信号,并对复数电流与电压信号在时域内进行对齐,得到复数转移阻抗如式(3)所示;
2)、将复数转移阻抗经过傅里叶变换,如式(4)所示,此时将时域信号转换成频域响应函数,构成了一组信号的线性响应***,该线性***是频率与相位的响应,此时转移阻抗如式(5)所示;
3)被测水听器声中心偏差的测量结果,可以得到自由场互易校准被测水听器灵敏度的相位
本发明的有益效果为:
a)通过声中心偏置测量,可以消除由于水听器悬挂偏置以及水听器声中心与几何中心不重合等情况下对水听器灵敏度相位测量的影响,降低灵敏度相位测量的不确定度。
b)通过构造复数信号,实现真正意义上的复数灵敏度的校准。
c)通过构造复数信号,并对其进行傅里叶变换,将时域信号变换为频域线性***的频率响应,可实现单频以及宽带信号的校准,弥补当前单频测量的不足。
附图说明
图1为水听器声中心偏差示意图。
图2为高频脉冲测距示意图。
图3为水听器声中心偏差以及距离测量示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍:
本发明针对目前水听器互易校准的不足,采用复数校准技术,解决水听器灵敏度幅值与相位精确测量问题。通过对水听器声中心偏置的分析,消除声中心偏差对水听器灵敏度测量产生的影响;通过对构造复数信号,以及对复数信号进行傅里叶变换,实现真正意义上的复数灵敏度校准,可以在频域范围内对水听器的灵敏度和相位进行测量。
根据自由场电声互易原理,自由场互易法校准须采用三个换能器:一个只作发射声波用的发射换能器F,一个只作接收声波用的水听器J和一个既作发射用又作接收用的并满足线性、无源、可逆条件的互易换能器H。测量过程中分别测量发射换能器与被测水听器的复数转移阻抗ZFJ(f)、发射换能器与互易换能器的复数转移阻抗ZFH(f)以及互易换能器与被测水听器的复数转移阻抗ZHJ(f),三个转移阻抗都是频率变化的响应函数,转移阻抗的计算公式如下:
其中,UFJ(f)、UFH(f)、UHJ(f)分别为发射换能器-被测水听器、发射换能器-互易换能器以及互易换能器-被测水听器三组换能器对的复数开路电压;
IFJ(f)、IFH(f)、IHJ(f)分别为发射换能器-被测水听器、发射换能器-互易换能器以及互易换能器-被测水听器三组换能器对的复数发射电流信号;
θFJ(f)、θFH(f)、θHJ(f)分别为发射换能器-被测水听器、发射换能器-互易换能器以及互易换能器-被测水听器三组换能器对转移阻抗相位的频率响应;
根据转移阻抗与距离的关系可得到水听器灵敏度与相位的计算公式如下:
式中,Js为互易常数,在球面波中
同时灵敏度的相位不仅与发射换能器、互易换能器以及水听器的响应有关,还与测量距离有关,并且随着频率的增加,测量距离对灵敏度相位的影响会增加。Luker–vanBuren***理论上有dFH=dFJ+dHJ,此时可以消除距离对相位测量所产生的影响。但在实际测量中,水听器的几何中心与声中心通常不在同一个点,如图1所示。分别测量发射换能器与被测水听器的转移阻抗以及互易换能器与被测水听器的转移阻抗时,需要将水听器的方向分别准发射换能器与互易换能器,在旋转过程中,就会产生一个距离偏差Δd,此时距离关系可以表示为
dFH=dFJ+dHJ+Δd (4)
此时式(3)中的距离对灵敏度相位产生的影响是无法消除的,并且这个距离误差对灵敏度相位产生的影响随着频率的增加而增加,在测量过程中需要消除该误差的影响。
这里采用高频脉冲测量发射换能器与水听器之间的距离。对于普通单频脉冲信号,由于水听器接收信号与发射信号存在相位差,因此无法准确判断信号的起始位置,对距离的测量产生误差。为了准确得到发射换能器与水听器之间的距离,分别发射正交的脉冲信号,并在时域上得到发射信号与水听器接收信号的时域波形图,如图2a)所示。由于信号正交,按公式(5)所示构造复数信号,并计算其幅值随时间的变化曲线,如图2b)所示。
在图2中,发射信号与接收信号的延迟时间变成了其复数幅值之间的时间差,此时与发射信号以及接收信号的相位以及相位偏移无关。
水听器的灵敏度是一个幅度与相位构成的复数。在测量过程中,采用上述方法实现复数化,并对复数信号进行傅里叶变换计算得到自由场中转移阻抗幅度与相位随频率变化的函数,构成***的频率响应。通过对频域线性响应的分析就可以在频域范围内实现对水听器灵敏度的幅度和相位的测量。
本方法采用自由场互易法对水听器的灵敏度幅度和相位进行精确测量。首先按图3所示在自由场条件下布置声场,发射换能器、被测水听器、互易换能器依次在水下排成一条直线,并处于同一水平面。为保证测量精度,需要测量发射换能器、互易换能器以及被测水听器声中心之间的距离。水听器被测的方向首先对准发射换能器,采用复数高频脉冲测量发射换能器与被测水听器声中心间的距离dFJ;将水听器旋转180°,使被测方向对准互易换能器,测量发射换能器与被测水听器声中心的距离dHJ;将被测水听器移开,测量发射换能器与互易换能器声中心的距离dHJ。并按照式(4)所示计算偏差Δd。其中Δd=2Δx,Δx为水听器声中心与几何中心的偏差。
为了实现真正意义上水听器的复数测量,需要在发射和接收端构造复数信号。发射换能器(互易换能器)需要分别发射两组正交的脉冲信号或宽带信号,并构成复数信号。由于发射电流信号与开路电压信号之间存在一定的时间延迟,这里需要将根据前面测量的距离参数对其进行对准,并最终得到复数转移阻抗如式(6)所示
将复数转移阻抗进行傅里叶变换,将其变换成频率响应函数,如式(7)所示
式(7)为转移阻抗的频率响应函数,该式将时域信号转换成频率响应函数,将发射电流、转移阻抗以及水听器开路电压通过一套线性响应***连接起来,它们之间的关系构成了线性响应***的频率响应函数。在频率响应函数中,若使用窄带信号(单频信号),则f=f0,此时获得复数转移阻抗的单频响应;若使用宽带信号,则需要根据宽带信号的频率响应以及频率关系获得对应的复数转移阻抗的宽带响应。
这里由于发射换能器与被测水听器具有声程差,因此这里式(7)中的不是真正转移阻抗的相位,需要减去由于声程差所产生的相位,结合图2和图3以及式(4)此时转移阻抗可以表示为
采用上述方法得到发射换能器与被测水听器的复数转移阻抗ZFJ(f)、互易换能器与接收水听器的复数转移阻抗ZHJ(f)以及发射换能器与互易换能器的复数转移阻抗ZFH(f)。
此时得到换能器声中心之间的距离以及彼此的转移阻抗,可以精确测量按式(2)测量灵敏度的幅度(相位偏差在测量误差允许范围内,可以忽略不计)。由于存在声中心偏差,被测水听器灵敏度的相位由式(3)可得
采用复数测量方法可以精确测量发射换能器与声中心的距离,精确测量被测水听器的相位灵敏度;同时采用复数测量方法,将时域信号通过傅里叶变换变换成频率响应函数,可以实现单频和宽带灵敏度的测量。
可以理解的是,对本领域技术人员来说,对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种自由场水听器复数灵敏度精确测量方法,其特征在于:首先采用复数高频脉测量发射换能器与水听器、互易换能器与水听器以及发射换能器与互易换能器之间的距离,对水听器的声中心进行修正,消除水听器声中心偏置对测量产生的影响,同时采用复数信号对水听器的复数灵敏度进行测量,通过傅里叶变换将信号从时域变换到频域,构成线性频率响应***,实现真正意义上的复数灵敏度校准。
2.根据权利要求1所述的自由场水听器复数灵敏度精确测量方法,其特征在于:该方法具体包括如下步骤:
(1)、水听器声中心偏差测量方法步骤如下:
1)、信号源发射高频测距脉冲y0(t),数据采集卡采用外触发的形式,同步采集信号源发出的脉冲信号y0'(t)与发射换能器发射脉冲信号y0'(t-τ);
2)、信号源发射与步骤1)相同频率的正交信号y1(t),采用相同的方式同步采集信号源发出的脉冲信号y1'(t)与发射换能器发射脉冲信号y1(t-τ);
3)、按式(1)所示构造复数信号:
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4)、通过复数信号的阶跃响应获得信号的延迟时间,并得到发射换能器与水听器声中心之间的距离dFJ、互易换能器与水听器之间的距离之间的距离dHJ以及发射换能器宇互易换能器之间的距离dFH,并按式(2)计算声中心偏差
Δd=dFH-dFJ-dHJ (2)
(2)、自由场水听器复数灵敏度校准方法步骤如下:
1)、发射换能器(互易换能器)需要分别发射两组正交的脉冲信号或宽带信号,并构成复数电压与电流信号,并对复数电流与电压信号在时域内进行对齐,得到复数转移阻抗如式(3)所示;
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2)、将复数转移阻抗经过傅里叶变换,如式(4)所示,此时将时域信号转换成频域响应函数,构成了一组信号的线性响应***,该线性***是频率与相位的响应,此时转移阻抗如式(5)所示;
3)被测水听器声中心偏差的测量结果,可以得到自由场互易校准被测水听器灵敏度的相位
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