CN111505609B - 一种超声换能器绝对声压测量方法 - Google Patents

一种超声换能器绝对声压测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声换能器绝对声压测量方法，该方法涉及水声测量领域，主要用于超声换能器绝对声压的测量。本方法在超声换能器辐射声场外放置反光镜片，利用激光测振仪获取超声换能器辐射声场的扫描数据，通过声压定值算法处理扫描数据，得到超声换能器的绝对声压。由于激光光束可聚焦至微米量级且反光镜片放置在声场之外，因此该方法是一种空间分辨率高、对声场无扰动的测量方法。本发明能够提高超声换能器绝对声压的测量精度，降低测量不确定度，弥补当前水听器法测量的不足。

Description

一种超声换能器绝对声压测量方法
技术领域
本发明涉及水声测量领域，属于超声换能器绝对声压测量范畴，主要是一种超声换能器绝对声压测量方法。不需借助于水听器即可实现超声换能器绝对声压的精确测量，克服水听器空间分辨率低、对声场产生扰动的缺点。
背景技术
超声换能器是避碰声呐、侧扫声呐等声呐设备的核心器件，其声学性能的好坏在很大程度上决定了声呐设备的整体性能。为了对超声换能器的性能状态进行诊断与评估，同时为其进一步改进提供参考依据，需要对超声换能器的声学参数进行测量，如测量超声换能器的辐射声场分布、发送响应、声源级等，而这些声场参数的获得都需要以超声换能器绝对声压的准确测量为前提。
对超声换能器绝对声压的测量，大多采用水听器进行，该方法实施简单，也最为方便。但由于水听器具有一定的物理尺寸，导致测量的空间分辨率受限，测量结果具有一定的空间平均效应。另外，水听器安装夹具的引入，会引起声波发生反射、衍射，对声场造成破坏，从而导致测量结果的准确性下降。而现有的基于反光薄膜的光学测量方法，需要将反光薄膜放置在换能器声场中，虽然能够提高测量的空间分辨率，但由于薄膜安装支架的存在，仍无法避免对声场的破坏。因此，目前亟需一种既能有效提高空间分辨率又能对声场无扰动的测量方法，实现超声换能器绝对声压的准确测量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种超声换能器绝对声压测量方法,不需借助于水听器即可实现超声换能器绝对声压的精确测量，克服水听器空间分辨率低、对声场产生扰动的缺点。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种超声换能器绝对声压测量方法，该方法包括如下步骤：
1)、信号源产生正弦填充脉冲波信号，经过功率放大器放大后驱动超声换能器向水介质中辐射声波；反光镜片放置在超声换能器的辐射声场之外的测量水槽的槽壁上，激光测振仪发出的激光束穿过透光窗入射到反光镜片，经反光镜片反射后，沿原路径返回到激光测振仪，由激光测振仪完成光学信号的解调和输出，得到激光测振仪的输出信号v(x)；
2)、激光测振仪的输出信号v(x)经过数字滤波器滤波后，输入到数字示波器，计算机采集数字示波器的信号并进行FFT处理，得到信号v(x)的幅值和相位；
3)、沿着x方向等间距的平移超声换能器，对超声换能器的辐射声场进行线性扫描；完成线性扫描后，以固定的旋转间距旋转超声换能器至新的角度，并在新的角度下继续进行超声换能器辐射声场的线性扫描，直至完成超声换能器辐射声场在0°～180°范围内的旋转、扫描；在每个扫描位置处，记录下激光测振仪输出信号v(x)的幅值和相位；
4)、运用声压定值算法，对v(x)的幅值和相位数据进行处理，得到超声换能器辐射声场中(x,y)位置处的绝对声压p(x,y)。
更进一步的，所述的测量水槽和激光测振仪放置在光学隔震平台上，测量水槽的槽壁上装有便于激光束入射的透光窗，测量水槽内部布放有减少混响时间的吸声尖劈。
更进一步的，所述的超声换能器固定在旋转运动机构上，超声换能器的平移及旋转皆通过旋转运动机构完成。
更进一步的，所述的超声换能器的辐射面竖直向下，激光测振仪发出的激光光束与超声换能器的声轴方向垂直。
更进一步的，所述的声压定值算法如下：
首先，对测量数据进行滤波处理：
式中，Qθ(nτ)——滤波后的测量数据；τ——超声换能器线性扫描时的步进间距；n＝0，1，2，...，N-1，N——超声换能器线性扫描时的扫描线条数；vθ(kτ)——超声换能器旋转至角度θ时，激光测振仪在x＝kτ处的输出信号；h(nτ-kτ)——滤波函数，令n-k＝w，则滤波函数的表达式为：
然后，对经过滤波后的测量数据Qθ(nτ)进行反投影处理，即可得到超声换能器辐射声场中(x,y)位置处的绝对声压p(x,y)：
式中，m——超声换能器在0°到180°范围内的旋转次数；θi——超声换能器第i次旋转时的角度。
本发明的有益效果为：利用激光测振仪和反光镜片可以获取超声换能器辐射声场的扫描数据，结合声压定值算法实现超声换能器绝对声压的测量，弥补当前水听器法测量超声换能器绝对声压的不足，进一步提升测量精度。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的测量***示意图；
图2为本发明的一个实施例的测量数据图；
图3为本发明的一个实施例的绝对声压测量结果图；
附图中的标号分别为：1、计算机；2、信号源；3、旋转运动机构；4、数字示波器；5、功率放大器；6、数字滤波器；7、测量水槽；8、超声换能器；9、反光镜片；10、透光窗；11、激光测振仪；12、吸声尖劈；13、光学隔震平台。
具体实施方式
下面将结合附图，通过具体实施例，对本发明做进一步的阐述。
如图1所示，本发明的超声换能器绝对声压测量方法的一个实施例的测量***包括计算机1、信号源2、旋转运动机构3、数字示波器4、功率放大器5、数字滤波器6、测量水槽7、超声换能器8、反光镜片9、透光窗10、激光测振仪11、吸声尖劈12、光学隔震平台13。
运用本发明的测量方法，对工作频率为600kHz的HPCTN型超声换能器辐射声场中的绝对声压进行测量。测量在距离超声换能器辐射面30mm处(近场区)、以超声换能器声轴为中心的-20mm～20mm的区域内进行，扫描步进间距τ＝1mm，旋转次数m＝180，具体测量步骤如下：
1)、将测量水槽7和激光测振仪11放置在光学隔震平台13上，测量水槽7的槽壁上装有便于激光束入射的透光窗10，测量水槽内部布放有减少混响时间的吸声尖劈12；将超声换能器8安装在旋转运动机构3上，超声换能器8的平移及旋转皆通过旋转运动机构完成，调整超声换能器8在水中的姿态，使超声换能器8的辐射面竖直向下；调整激光测振仪11的姿态，使激光测振仪发出的激光光束垂直于超声换能器8的声轴方向；调整反光镜片9的姿态，使激光测振仪发出的激光光束到达反光镜片后，能够沿原路径返回到激光测振仪；
2)、信号源2产生正弦填充脉冲波信号，经过功率放大器5放大后驱动超声换能器8向水介质中辐射声波；反光镜片9放置在超声换能器8的辐射声场之外的测量水槽7的槽壁上，激光测振仪11发出的激光束穿过透光窗10入射到反光镜片9，经反光镜片9反射后，沿原路径返回到激光测振仪11，由激光测振仪11完成光学信号的解调和输出，得到激光测振仪11的输出信号v(x)；
3)、激光测振仪11的输出信号v(x)经过数字滤波器6滤波后，输入到数字示波器4，计算机1采集数字示波器4的信号并进行FFT处理，得到信号v(x)的幅值和相位；
4)、沿着x方向等间距的平移超声换能器8，对超声换能器8辐射声场进行线性扫描；完成线性扫描后，以固定的旋转间距旋转超声换能器8至新的角度，并在新的角度下继续进行超声换能器8辐射声场的线性扫描，直至完成超声换能器8辐射声场在0°～180°范围内的旋转、扫描；记录下超声换能器8的步进间距τ、旋转次数m，并记录下在每个扫描位置处的激光测振仪11输出信号v(x)的幅值和相位，得到激光测振仪11在所有角度下的测量数据vθ(x)，如图2所示；
5)、运用声压定值算法，将步进间距τ、旋转次数m、测量数据vθ(x)代入公式(1)、(2)、(3)，对测量数据进行处理，即可得到超声换能器辐射声场中(x,y)位置处的绝对声压p(x,y)，如图3所示。
本发明采用光束直径在微米量级的激光测量超声换能器的绝对声压，通过将反光镜片9放置在超声换能器8的辐射声场之外，既能获得比水听器更高的空间分辨率，又能真正意义上实现无扰动测量，弥补了当前测量方法的不足。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种超声换能器绝对声压测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
1)、信号源(2)产生正弦填充脉冲波信号，经过功率放大器(5)放大后驱动超声换能器(8)向水介质中辐射声波；反光镜片(9)放置在超声换能器(8)的辐射声场之外的测量水槽(7)的槽壁上，激光测振仪(11)发出的激光束穿过透光窗(10)入射到反光镜片(9)，经反光镜片(9)反射后，沿原路径返回到激光测振仪(11)，由激光测振仪(11)完成光学信号的解调和输出，得到激光测振仪(11)的输出信号v(x)；
2)、激光测振仪(11)的输出信号v(x)经过数字滤波器(6)滤波后，输入到数字示波器(4)，计算机(1)采集数字示波器(4)的信号并进行FFT处理，得到信号v(x)的幅值和相位；
3)、沿着x方向等间距的平移超声换能器(8)，对超声换能器(8)的辐射声场进行线性扫描；完成线性扫描后，以固定的旋转间距旋转超声换能器(8)至新的角度，并在新的角度下继续进行超声换能器(8)辐射声场的线性扫描，直至完成超声换能器(8)辐射声场在0°～180°范围内的旋转、扫描；在每个扫描位置处，记录下激光测振仪输出信号v(x)的幅值和相位；
4)、运用声压定值算法，对v(x)的幅值和相位数据进行处理，得到超声换能器(8)辐射声场中(x,y)位置处的绝对声压p(x,y)；
所述的声压定值算法如下：
首先，对测量数据进行滤波处理：
式中，Qθ(nτ)——滤波后的测量数据；τ——超声换能器线性扫描时的步进间距；n＝0，1，2，...，N-1，N——超声换能器线性扫描时的扫描线条数；vθ(kτ)——超声换能器旋转至角度θ时，激光测振仪在x＝kτ处的输出信号；h(nτ-kτ)——滤波函数，令n-k＝w，则滤波函数的表达式为：
然后，对经过滤波后的测量数据Qθ(nτ)进行反投影处理，即可得到超声换能器辐射声场中(x,y)位置处的绝对声压p(x,y)：
式中，m——超声换能器在0°到180°范围内的旋转次数；θi——超声换能器第i次旋转时的角度。
2.根据权利要求1所述的超声换能器绝对声压测量方法，其特征在于：所述的测量水槽(7)和激光测振仪(11)放置在光学隔震平台(13)上，测量水槽(7)的槽壁上装有便于激光束入射的透光窗(10)，测量水槽内部布放有减少混响时间的吸声尖劈(12)。
3.根据权利要求1所述的超声换能器绝对声压测量方法，其特征在于：所述的超声换能器(8)固定在旋转运动机构(3)上，超声换能器(8)的平移及旋转皆通过旋转运动机构完成。
4.根据权利要求1或3所述的超声换能器绝对声压测量方法，其特征在于：所述的超声换能器(8)的辐射面竖直向下，激光测振仪(11)发出的激光光束与超声换能器(8)的声轴方向垂直。
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