CN108318123A - 一种水下声基阵互辐射阻抗的近场声层析测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水声测试技术基础领域，主要涉及一种水下声基阵互辐射阻抗的近场声层析测量方法，其步骤如下：采用激光层析测量法获取声基阵辐射声场的近场声场信息，再利用近场声全息变换技术对所测得的声场信息进行处理，按照各阵元所在位置对复振速进行分块处理，得到各阵元源面复振速，计算其源面复声压及其他阵元表面位置处由该阵元产生的辐射声压，然后利用经典的声阵互辐射阻抗理论计算。本发明的有益效果是：利用非接触式的测试方法克服了常用介入式声阵互辐射测试方法的不足，解决了低频大功率下水下声基阵互辐射阻抗测试所需方法与准确测试问题，为水下声基阵速度控制提供了互辐射模型，对低频大功率声基阵的设计与发展提供了有力的技术保障。

Description

一种水下声基阵互辐射阻抗的近场声层析测试方法

技术领域

本发明涉及水声技术基础研究领域，属于水下声基阵辐射阻抗测试技术，主要是一种水下声基阵互辐射阻抗的近场声层析测试方法。

背景技术

随着水声技术的发展，水声应用频率逐渐向低频扩展。为了增加对水下目标的远程探测和预警能力，尤其是要解决对低噪声目标的有效探测。主动声纳阵正逐渐向低频、大孔径、高功率方向发展，为了在有限的空间内实现足够高的发射功率，在主动声纳阵的设计中阵元通常采用密排方式布阵。当阵元间距不满足1/4波长的最低要求时，阵元间产生的互作用(即引起互辐射)会导致主动发射基阵的效率降低，不能形成预期的指向性，甚至出现个别基元吸收声功率，损坏发射设备，严重的会导致整个声纳阵的损毁。目前，在现役或在研的低频主动声纳设备的研制过程中都已发现互辐射的影响，特别是在大功率情况下影响更加明显，使某些工作频率点的性能与设计产生偏差。通常使用测量互辐射的阻抗法属于介入式测量，都是在相对小信号的条件下进行的，与声纳设备的实际使用环境存在很大的差异，不能准确反映声纳设备的实际性能。

因此，鉴于现有的介入式测量方法无法开展大功率条件下声基阵阵元互辐射的测量，而利用激光光学层析测试法对水下声基阵的近场辐射声场信息进行测量，再利用近场声全息法变换来获取声基阵辐射场的表面振速分布，从而实现对声纳阵阵元辐射阻抗的测试。这种水下声基阵互辐射阻抗的声光层析测试方法可以实现在非接触条件下实现对声基阵阵元辐射阻抗的测试，解决现有介入式声纳阵阵元辐射阻抗测试方法的不足，满足大功率条件测试需求。

发明内容

本发明的目的克服现有介入式水下声基阵辐射阻抗测试方法的不足，特别是解决低频主动声纳阵大功率工作下阵元互辐射阻抗测试所需的方法和准确测量问题，而提供一种水下声基阵互辐射阻抗的近场声层析测试方法，主要是用非接触式水下声基阵互辐射阻抗测试方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种水下声基阵互辐射阻抗的近场声层析测试方法，包括如下步骤：

(1)利用光学层析法获取水下声基阵的近场辐射声场的声场信息，通过激光对水下声基阵的近场辐射声场进行层析扫描测量来实现对声场信息的提取，实现对水下声基阵的非接触式声场提取；

(2)利用近场声全息变换方法对光学层析法获取的声场信息进行声场全息变换，得到被测水下声基阵的辐射声场分布及声阵表面阵元的振动速度分布；

(3)利用经典的声阵互辐射理论进行水下声基阵互辐射阻抗的估算，即对获得的水下声基阵的辐射声场分布与声阵表面阵元的振动速度来推算声阵阵元间的辐射阻抗分布。

更进一步，所述的光学层析法获取水下声基阵的近场辐射声场的声场信息过程是：利用激光束扫描水下声基阵的近场辐射声场，再通过反射镜反射激光束再次通过近场辐射声场，经由激光测振仪提取近场辐射声场的声场信息；同时，通过旋转发射基阵的方位获取其辐射声场的全方位声场信息。

更进一步，通过近场声全息变换方法对所获取的水下声基阵的声场信息进行重构，得到声基阵各阵元表面的复振速、复声压分布以及该阵元表面位置处由其他阵元产生的辐射声压。

更进一步，本发明中，所述的光层析法测量水下被测声基阵的声场时，其原理图如图1所示，被测换能器或被测水下声基阵通过定位回转机构被固定在定位装置上，其工作面垂直于水面朝下，其声轴被调节到处于垂直方向z上，激光束与声轴方向垂直，在入射到反射镜面后沿原路径返回激光测振仪，可以测得激光束位于x位置处的输出v(x)；同样，激光束将沿x方向做等间距的步进运动，激光测振仪在每个测量位置x上的输出将被记录，以此完成对声基阵(或换能器)声场的扫描测量。在声基阵完成从0到180的旋转后，激光测振仪的测得在(x,y)处的输出v_θ(x′)，因此，最终得到被测声基阵辐射声场的声压分布p(x,y)。

更进一步，在本发明所述的对光层析法测得数据进行近场声场全息变换中，由于得到的是全息面上的复声压数据，则根据狄里克利边界条件处理亥姆霍兹-基尔霍夫积分公式就可以通过全息面上的复声压分布得到源面及空间声场中复振速分布u(x,y,z)，再按照各阵元所在位置对复振速进行分块处理，得到各阵元源面复振速。最后把测量得到各阵元表面的复振速、复声压分布以及该阵元表面位置处由其他阵元产生的辐射声压代入到声基阵互辐射阻抗的计算公式，即可求得各阵元的自/互辐射阻抗。

本发明的有益效果为：不仅把近场声全息法用于水下声基阵互辐射阻抗的测试，同时，为了解决近场声全息获取近场全息面上的复数声压信息的提取上采用了激光层析测量方法。利用光学层析测量法所具备的非接触、无扰动，对被测物体不产生附加质量影响的特点，利用激光对水下声基阵的近场辐射声场进行层析扫描提取真实辐射声场的幅度与相位信息，能在有限的空间内获取足够多的辐射场特征信息，再通过近场声场全息反演技术准确再现声纳阵的辐射特性，最终获得声纳阵的辐射阻抗分布。其实施效果主要包括：(1)采用非接触式的声纳阵阵元辐射阻抗测量可以实现大功率下对声基阵互辐射阻抗的测量，解决了大功率下声基阵互辐射阻抗准确测量所需方法问题。(2)采用激光层析测量的方法实现对声基阵近场辐射声场的非接触式扫描，大大提高的扫描的效率，提高对声基阵近场辐射复声场声压(幅度与相位)的提取精度，提高了测量精度。(3)通过对声纳阵阵元互辐射阻抗的分布的测量，可以得到阵列阵元间的互辐射阻抗模型，通过对阵列阵元进行速度控制，消除互辐射的负面影响，利用声基阵互辐射提高阵列的电声效率，提高声纳阵的性能，实现对声基阵互辐射的有效控制，对声纳阵的设计具有十分重要的意义。

附图说明

图1激光层析测量方法原理图；

图2声基阵旋转角度后的投影关系示意图；

图3激光层析法声基阵辐射阻抗测量***框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

水下声基阵由于受尺寸的影响，通常采用密排布阵。特别是在低频工作时由于阵元间距不满足1/4波长，因此阵元间存在互辐射的影响。这种影响会降低基阵的工作效率，严重时会损毁基阵。通常情况下，在低频小功率下可以用介入式的互辐射测试方法来测试。但现代的新型声纳大多工作在低频大功率下。现有的介入式的测试***任意在在大功率下会毁坏测试设备，给被测声基阵带来误差。而采用非介入式的近场声层析测试方法来测试水下声阵的互辐射阻抗，我们利用光学层析扫描技术从被测水下声基阵的近场获取声阵辐射声场的信息，再通过近场声全息变换技术重构声基阵的辐射声场，从而得到声阵阵元的互辐射阻抗分布。我们已开展了水下声基阵互辐射阻抗的近场声层析测试研究，并获得了比较理想的结果。

本发明的设计思路：由于低频大功率下水下声基阵极易发生阵元间的互作用，常用的阻抗分析法、三电压法、矢量分解法和利用振动传感器测量阵元的表面振动分布这些传统的介入式测量方法，只适用于小功率下的测量，但声基阵实际大多是工作在在大功率下，容易造成测量设备的损毁，也容易影响声基阵的工作状况。而近场声层析测量法是一种非接触、无扰动的测量技术，无需对被测物体产生附加质量的影响，因此能够反映物体的真实振动。同时，利用激光对水下声基阵的近场辐射声场进行层析扫描提取辐射声场的幅度与相位信息，能在有限的空间内获取足够多的辐射场特征信息，再通过近场声场全息反演技术准确再现声纳阵的辐射特性，最终获得声纳阵的辐射阻抗分布。为了在近场准确获得全息测量面上的辐射特性，我们利用激光测振仪对水下声基阵的近场辐射声场进行层析扫描，获取声基阵近场辐射声场的振动速度，激光层析测量方法原理图如图1所示，通过控制激光测振仪或声基阵的运动获得整个声基阵的辐射声场信息。

●基于光学层析方法近场测量原理

激光层析测量法的原理如图1其中，待测水声基阵(或换能器)被固定在定位装置上，其声轴被调节到处于垂直方向z上，激光束与声轴方向垂直，在入射到反射镜面后沿原路径返回激光测振仪。在激光测振仪的激光束位于x位置处，其输出v(x)可表示为：

式中，n₁为水介质的等效折射系数，ω为角频率，p(x,y)为声场中(x,y)位置处的声压。

在测量中，通过移动激光测振仪或声基阵，激光束将沿x方向做等间距的步进运动，完成对声基阵声场的扫描。激光测振仪在每个测量位置x上的输出将被记录。然后，声基阵(或换能器)将被旋转θ角度，直角坐标如图2所示，在旋转后，(x’,y’)和(x,y)之间的关系可用下式表示：

因此，激光测振仪的输出可表示为：

同样，激光束将沿x方向做等间距的步进运动，激光测振仪在每个测量位置x上的输出将被记录，以此完成对声基阵(或换能器)声场的扫描测量。在声基阵完成从0到180的旋转后，如果声基阵移动的步进间距为τ，滤波逆投射变换算法可写为：

Q_θ(nτ)＝τ·IFFT{FFT[v_θ(nτ)]·FFT[h(nτ)]}

其中，n＝-N,…0,…N,IFFT是逆FFT变换，h(nτ)卷积核。

因此，待测声场的声压分布为：

其中，M是0到180范围内的转动步进数。

●基于近场声全息的辐射阻抗测量原理

近场声全息技术利用在声源近场区域内获得的复声压、复振速或声强等声学量，结合表面及声场中的亥姆霍兹-基尔霍夫(Helmholtz-Kirchhoff)积分公式，实现对声源表面或其近场处其他区域内的声振特性重构，以及远场处的辐射声场、辐射声功率等进行预报。

在近场平面声全息变换技术中，如果得到的是全息面上的复声压数据，则采用狄里克利(Dirichlet)边界条件处理亥姆霍兹-基尔霍夫积分公式，如果得到的是法向质点振速，则采用纽曼(Neumann)边界条件处理积分公式，这两种边界条件分别对应于瑞利第一积分方程和瑞利第二积分方程，无穷大平面上的格林函数分别为：

其中(x_p,y_p,z_p)为场点P的坐标，(x_q,y_q,z_q)为S面上观察点Q的坐标。

在Dirichlet边界条件下，声场中任意一个平面上的场点声压：

在Neumann边界条件下，声场中任意一个平面上的场点声压可以表示为

对上式两边同时进行二维傅里叶变换，可以得到波数域下的角谱关系式：

其中

因此，利用源平面上的质点振速可以得到声场中任意一个平面上的场点声压：

当源平面上声压或质点振速为未知量时，假设全息面与源面平行，位于z_H处，且z_H>z_S，则可以得到源面上声压角谱表达式：

得到源平面上声压角谱后，可以得到空间中其他平面上(z>z_S)的声压角谱分布：

而对于法向振速而言，其重构方程：

式中

经过二维傅里叶逆变换后，则可以通过全息面上的复声压分布得到源面及空间声场中复振速分布，如下所示：

利用上式得到源面上的复振速分布后，按照各阵元所在位置对复振速进行分块处理，得到各阵元源面复振速，计算其源面复声压及其他阵元表面位置处由该阵元产生的辐射声压。

●互辐射测量原理

发射换能器在辐射声波的同时会受到声场的作用，表现为贴近振动面的介质对其施加的作用力。该作用力与由振动面施加给介质的力在数值上相等而方向相反，取决于贴近该面的介质中的声压。根据发射面上声压分布沿振动面的积分可以得到介质对振动面的作用力，而声场中的声压和该处介质的质点振速成正比，即：

P＝u·Z₀

通常贴近发射面的介质质点的法向振速和发射面的法向振速完全相同，于是发射面上的声压分布可以表示为：

P_a＝u_a·Z_a

式中u_a：发射面上法向振速；Z_a：贴近发射面的介质波阻抗。

声辐射器的辐射阻抗决定于声压对辐射器的辐射面的作用。因为基阵中的每个辐射器处于整个阵的辐射声场中，它面上的声压是所有阵元也包括自身在内的辐射场声压的叠加。因此基阵中每个阵元的总辐射阻抗包括自身辐射场的作用及其他阵元辐射场的作用。当其他阵元不振动时，单辐射器辐射时的辐射阻抗称之为自辐射阻抗。辐射器在声场中受到其他辐射器声场的作用力，为了保持自身声源强度一定，其机械***的推动力必然有所变化。既然振幅值保持不变，而辐射面受声场的作用力有变化，这表明辐射器的总辐射阻抗发生变化。由于其他声源作用而引起变化的部分，就是总辐射阻抗中除去自辐射阻抗外的部分就是互辐射阻抗引起的。因此基阵中阵元声复合作用可以用辐射场的相互作用力表示，也可以用互辐射阻抗表示。

假设声场中有n个声源。各声源的振速分别为u₁,u₂,u₃…u_n。在这种振速分布情况下，1号源辐射面上场的总作用力为F₁，显然为1号源自身辐射场声压作用在自身辐射面上产生的力与其他源辐射场声压作用在1号源辐射面上产生的力之和，即

其中：f₁₁——1号辐射器自身辐射场声压作用在自身辐射面产生的力；

f_in——n号辐射器辐射场声压作用在i号辐射器辐射面产生的力。

i号辐射器总的辐射阻抗为：

由于声源产生的场和声源强度成正比，在均匀振幅分布情况下，辐射场的声压和辐射面的振速成正比，所以可以把f_il写成：

f_il＝Z_ilu_l

则可以得到

其中Z_il表示l单位振速声场作用于i号源面上的力，称之为l号源对i号源的互辐射阻抗，简称互阻抗。

当辐射器以同样的振速和相位振动，那么由n个阵元组成的基阵的辐射阻抗就是

由以上原理可知，只要测量得到各阵元表面的复振速、复声压分布以及该阵元表面位置处由其他阵元产生的辐射声压，即可求得各阵元的自/互辐射阻抗。

根据上述的声基阵互辐射阻抗非接触式近场声层析测试原理，我们建立的水下声基阵阻抗特性声层析理论测量模型，搭建了基于激光声层析法测量***，测量接收***由激光测振仪与反光镜、数据采集***及计算机构成，如图3所示，声阵发射机与发射声基阵组成发射***；计算机控制定位回转机构实现激光测振仪对声基阵辐射声场的近场扫描，获取近场各位置辐射声场的幅度与相位，计算机通过数据采集***获取近场测量面的辐射声场信息，进行近场声全息反演计算处理后就可以得到每个模块表面的辐射阻抗分布，除去自辐射阻抗，我们就可得到声基阵的互辐射阻抗分布。

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 (5)

1.一种水下声基阵互辐射阻抗的近场声层析测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)利用光学层析法获取水下声基阵的近场辐射声场的声场信息，通过激光对水下声基阵的近场辐射声场进行层析扫描测量来实现对声场信息的提取，实现对水下声基阵的非接触式声场提取；

(2)利用近场声全息变换方法对光学层析法获取的声场信息进行声场全息变换，得到被测水下声基阵的辐射声场分布及声阵表面阵元的振动速度分布；

(3)利用经典的声阵互辐射理论进行水下声基阵互辐射阻抗的估算，即对获得的水下声基阵的辐射声场分布与声阵表面阵元的振动速度来推算声阵阵元间的辐射阻抗分布。

2.根据权利要求1所述的水下声基阵互辐射阻抗的近场声层析测试方法，其特征在于：所述的光学层析法获取水下声基阵的近场辐射声场的声场信息过程是：利用激光束扫描水下声基阵的近场辐射声场，再通过反射镜反射激光束再次通过近场辐射声场，经由激光测振仪提取近场辐射声场的声场信息；同时，通过旋转发射基阵的方位获取其辐射声场的全方位声场信息。

3.根据权利要求1所述的水下声基阵互辐射阻抗的近场声层析测试方法，其特征在于：通过近场声全息变换方法对所获取的水下声基阵的声场信息进行重构，得到声基阵各阵元表面的复振速、复声压分布以及该阵元表面位置处由其他阵元产生的辐射声压。

4.根据权利要求2所述的水下声基阵互辐射阻抗的近场声层析测试方法，其特征在于：被测水下声基阵通过定位回转机构被固定在定位装置上，其工作面垂直于水面朝下，其声轴被调节到处于垂直方向z上，激光束与声轴方向垂直，在入射到反射镜的镜面后沿原路径返回激光测振仪，测得激光束位于x位置处的输出v(x)；同样，激光束将沿x方向做等间距的步进运动，激光测振仪在每个测量位置x上的输出将被记录，以此完成对被测水下声基阵声场的扫描测量；在被测水下声基阵完成从0到180的旋转后，激光测振仪的测得在(x,y)处的输出v_θ(x′)，因此，最终得到被测声基阵辐射声场的声压分布p(x,y)。

5.根据权利要求1所述的水下声基阵互辐射阻抗的近场声层析测试方法，其特征在于：根据狄里克利边界条件处理亥姆霍兹-基尔霍夫积分公式，通过全息面上的复声压分布得到源面及空间声场中复振速分布u(x,y,z)，再按照各阵元所在位置对复振速进行分块处理，得到各阵元源面复振速；最后把测量得到各阵元表面的复振速、复声压分布以及该阵元表面位置处由其他阵元产生的辐射声压代入到声基阵互辐射阻抗的计算公式，即可求得各阵元的自/互辐射阻抗。