本发明属于实验测试领域，具体涉及的是一种可以在2-200khz频率范围内、在实验室内实现对水声学、水声换能器及声呐基本参数进行实验教学的一种多功能水声参数综合测试实验装置。
背景技术：
在水声领域对水声学、水声换能器及声呐基本参数进行测试的装置，主要是指基于试验水池的自由场测试系统。水声实验需要自由声场环境，它可通过户外大型试验场和室内消声水池来实现。与户外大型水域相比，水池设备具有地点合适和环境可控等优点，而且在天然水域中由于存在较大的背景干扰，很难反映声音在水中传播的规律，有时甚至难以实施，或代价太高，所以水池设备尤其是消声水池，常被用来在实验室中模拟广阔水域完成难于甚至不可能在真实情况下进行的水声实验。为此，测量用水池，特别是消声水池及其配套实验设备的建设就显得十分必要。
目前在相关水声单位的水池测试系统，在这种大型试验水池中一般可以开展的测量工作的频率下限是1000hz左右。另外，在水声测量领域还有水箱(水槽)、声管(或耦合腔)等测量空间，其中，前者只能完成高频测量工作；后者只能完成低频测量工作，并且在这两种空间里通常只能进行对标准水听器的灵敏度校准工作。
综上所述，本发明研究水声学、水声换能器及声呐基本参数进行实验教学的实验装置，可以在2-200khz频率范围内开展多项水声实验，不仅功能强、成本低，而且是目前鲜有的测试系统。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种多功能水声参数综合测试实验装置，可以在2-200khz频率范围内、在实验室内实现对水声学、水声换能器及声呐基本参数进行实验教学的实验装置。
本发明的目的是这样实现的：
一种多功能水声参数综合测试实验装置，由水声箱1、被测试换能器2、标准接收器3、辅助发射换能器4、互易换能器5、旋转吊放机构6、电子测试设备7及测试软件8组成，所述的水声箱1由箱体1.1、加强肋板1.2、排水口1.3及吸声尖劈1.4组成；所述的旋转吊放机构6包括x方向水平移动轨道6.1及其第一控制电机6.2，y方向水平移动轨道6.3及第二控制电机6.4，z方向垂直升降杆6.5及第三控制电机6.6，周向旋转轮盘6.7及第四控制电机6.8，第一安装支架6.9、第一安装支架6.10、第一安装支架6.11、第一安装支架6.12；所述的旋转吊放机构6安装在水声箱1的加强肋板1.2上；所述的被测试换能器2、标准接收器3、辅助发射换能器4及互易换能器5通过连接螺栓固定在旋转吊放机构6上；所述的电子测试设备7包括信号源7.1、功率放大器7.2、匹配电路7.3、电流电压取样器7.4以及前置放大器7.5、测量放大器7.6、滤波器7.7、采集器7.8和计算机7.9；所述的测试软件8包括水声换能器电声性能测试软件8.1、水声传播规律测试软件8.2、声呐方程参数测试软件8.3组成；所述的被测试换能器2、标准接收器3、辅助发射换能器4及互易换能器5通过电缆与电子测试设备7连接，测试数据储存在计算机7.9内，通过测试软件8进行处理。
本发明所述的一种多功能水声参数综合测试实验装置，所述的水声箱1的尺寸在50-200khz频率范围内满足自由场条件，在2-50khz频率范围内满足混响场条件。
本发明一种多功能水声参数综合测试实验装置，所述的被测试换能器2包括接收探头2.1、第一法兰盘2.2、第一输出电缆2.3以及第一输出bnc端2.4；所述被测试换能器2安装在第一安装支架6.9上。
本发明一种多功能水声参数综合测试实验装置，所述的标准接收器3包括标准接收探头3.1、第二法兰盘3.2、第二输出电缆3.3以及第二输出bnc端3.4；所述标准接收器3安装在第二安装支架6.10上；所述标准接收器3满足标准水听器要求。
本发明一种多功能水声参数综合测试实验装置，所述的辅助发射换能器4包括发射探头4.1、第三法兰盘4.2、第三输出电缆4.3以及第三输出bnc端4.4；所述的辅助发射换能器4安装在第三安装支架6.11上，所述的辅助发射换能器4在工作频带内满足稳定性和性噪比要求。
本发明一种多功能水声参数综合测试实验装置，所述的互易换能器5包括互易换能器探头5.1、第四法兰盘5.2、第二输出电缆5.3以及第四输出bnc端5.4；所述互易换能器5安装在第四安装支架6.12，所述的互易换能器5满足互易型和线性要求。
本发明所述的一种多功能水声参数综合测试实验装置，通过测试软件8计算水声换能器的灵敏度、发送响应、指向性参数；通过测试软件8计算声场声速、传播损失、目标强度参数，声呐方程相应参数。
本发明的有益效果在于：
1、功能强大、用途广泛。该装置可以满足水声专业本科阶段的所有相关水声课程的实验需要，包涵本专业主干课程声学基础、水声学、水声换能器和声呐技术四门课程涉及的内容；
2、技术成熟、稳定可靠。该装置依托水声试验水池建设研究成果和相关的水声科研成果设计完成，采用声学脉冲测试技术，利用先进的水声换能器及其配套测试设备，经过近十年的教学应用证明，该装置稳定可靠、技术先进适于实践教学；
3、构成成本低、操作简便。该装置的设计技术来源于试验水池，但考虑教学特点简化了系统组成，在保留其功能的前提下降低了操作难度，更适于初学者使用和教学应；
4、安全性高。与试验水池相比较，在该装置中完成各种实验项目，大大降低了安全风险。
附图说明
图1是本发明的整体装置示意图；
图2是本发明的水声箱示意图；
图3是本发明的被测试换能器示意图；
图4是本发明的标准接收器示意图；
图5是本发明的辅助发射换能器示意图；
图6是本发明的互易换能器示意图；
图7是本发明的旋转吊放机构示意图；
图8是本发明的电子测试设备示意图；
图9是本发明的测试软件示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作更详细的描述。
本发明的目的在于提供一种多功能水声参数综合测试实验装置，可以在2-200khz频率范围内、在实验室内实现对水声学、水声换能器及声呐基本参数进行实验教学的实验装置。
结合图1-8所示，本发明一种多功能水声参数综合测试实验装置，由水声箱1、被测试换能器2、标准接收器3、辅助发射换能器4、互易换能器5、旋转吊放机构6、电子测试设备7及测试软件8组成；如上所述的水声箱1由箱体1.1、加强肋板1.2、排水口1.3及吸声尖劈1.4组成；箱体1.1为测试空间是由玻璃钢加工制作的，能够满足一定声学刚性条件的长方形箱体，箱体中充满水介质，声波在箱体1.1中传播存在规律性，箱体1.1壁面覆盖吸声材料，以减少壁面声波反射对声场的影响；所述的加强肋板1.2由不锈钢材材料加工制作而成；水声测试换能器包括标准接收器3、被测换能器2和辅助发射换能器4、互易换能器5，用于建立声场和接收声信号，满足各个基本参数测试需要。
结合图2所示，所述的水声箱1由箱体1.1、加强肋板1.2、排水口1.3及吸声尖劈1.4组成；测量前，需要把吸声尖劈1.4安装在箱体1.1的侧壁上，同时在水箱中充满水，测量结束后，从排水口1.3把水放掉，保持箱内干燥、预防生锈、提高使用寿命。
结合图3所示，所述的被测试换能器2包括接收探头2.1、第一法兰盘2.2、第一输出电缆2.3以及第一输出bnc端2.4；所述被测试换能器2安装在第一安装支架6.9上。
结合图4所示，所述的标准接收器3包括标准接收探头3.1、第二法兰盘3.2、第二输出电缆3.3以及第二输出bnc端3.4；所述标准接收器3安装在第二安装支架6.10上；所述标准接收器3满足标准水听器要求。
结合图5所示，所述的辅助发射换能器4包括发射探头4.1、第三法兰盘4.2、第三输出电缆4.3以及第三输出bnc端4.4；所述的辅助发射换能器4安装在第三安装支架6.11上，所述的辅助发射换能器4在工作频带内满足稳定性和性噪比要求。
结合图6所示，所述的互易换能器5包括互易换能器探头5.1、第四法兰盘5.2、第二输出电缆5.3以及第四输出bnc端5.4；所述互易换能器5安装在第四安装支架6.12，所述的互易换能器5满足互易型和线性要求。
结合图7所示，所述的旋转吊放机构6包括x方向水平移动轨道6.1及其第一控制电机6.2，y方向水平移动轨道6.3及第二控制电机6.4，z方向垂直升降杆6.5及第三控制电机6.6，周向旋转轮盘6.7及第四控制电机6.8，第一安装支架6.9、第一安装支架6.10、第一安装支架6.11、第一安装支架6.12；依据测量条件要求，利用x方向水平移动轨道6.1及其第一控制电机6.2，y方向水平移动轨道6.3及其第二控制电机6.4，z方向垂直升降杆6.5及第三控制电机6.6，分别将被测换能器2、标准接收器3、辅助发射换能器4、互易换能器5布放到水箱中相应的位置，且可通过旋转周向旋转轮盘6.7及其第四控制电机6.8调整方向，并开始测试。
结合图8所示，所述的电子测试设备7包括信号源7.1、功率放大器7.2、匹配电路7.3、电流电压取样器7.4以及前置放大器7.5、测量放大器7.6、滤波器7.7、采集器7.8和计算机7.9；测量时，先将信号源7.1、功率放大器7.2、匹配电路7.3、电流电压取样器7.4和辅助发射换能器4的第三输出bnc端4.4或互易换能器5的第四输出bnc端5.4以及采集器7.8和计算机7.9连接；再将被测换能器2的第一输出bnc端2.4或是标准接收器3的第二输出bnc端3.4或是互易换能器5的第三输出bnc端5.4，与前置放大器7.5、测量放大器7.6、滤波器7.7、采集器7.8和计算机7.9连接；最后将信号源7.1、功率放大器7.2、匹配电路7.3、电流电压取样器7.4以及前置放大器7.5、测量放大器7.6、滤波器7.7、采集器7.8和计算机7.9的电源打开，由计算机7.9发出指令从信号源7.1发出被测信号，经功率放大器7.2进行能量放大，匹配电路7.3进行阻抗匹配，送入辅助发射换能器4或是互易换能器5向水箱1.1空间辐射形成测试需要的声场，同时声场中的声信号被被测换能器2或标准接收器3、互易换能器5接收，并转换成电信号送入前置放大器7.5匹配、测量放大器7.6放大、滤波器7.7滤除噪声，在计算机7.9控制下采集器7.8将信号源7.1发出被测信号、功率放大器7.2放大的信号、电流电压取样器7.4取样的信号，以及经前置放大器7.5匹配、测量放大器7.6放大、滤波器7.7滤除噪声的信号采集、存储在计算机7.9中。
最后，打开计算机7.9中的测试软件8，根据相应的测试要求选择对应的计算软件，包括水声换能器电声性能测试软件8.1，可以计算给出水声换能器的灵敏度、发送响应和指向性、相位等电声性能参数；水声传播规律测试软件8.2，可以计算给出声速与声线关系、声传播损失曲线、水下环境噪声值、目标强度值等；声呐方程参数测试软件8.3，可以计算给出声源级、传播损失、环境噪声级、混响级、指向性指数，并验证主被动声呐方程等。
结合图9所示，所述的测试软件8包括水声换能器电声性能测试软件8.1、水声传播规律测试软件8.2、声呐方程参数测试软件8.3组成；所述的电子测试设备7和测试软件8可以实现对发射器的信号激励与功率放大，以及对接收信号的放大、滤波、采集和处理等。
所述的被测试换能器2、标准接收器3、辅助发射换能器4及互易换能器5通过电缆与电子测试设备7连接，测试数据储存在计算机7.9内，通过测试软件8进行处理。
本发明的基本理论依据：将利用脉冲技术的高频自由场校准方法和利用空间平均技术的低频混响场校准方法的综合运用。
第一种利用脉冲技术的高频自由场校准方法。
因为在水箱中自由场条件很难是理想的，这时利用正弦脉冲信号就可以建立一个能够满足一般自由场测量条件的环境，这一测试技术被称为脉冲声技术。
首先，是脉冲宽度τ的选择，正确的选择是使τ满足所有的条件。这些条件如下：
(1)τ必须足够大，应保证能在稳态振动状态下进行测量。这是使信号在时间上达到稳态对τ的要求，即：
其中：
η＝ξ/ξm是达到的振动幅值相对于稳定振动幅值的百分数；q0、f0是换能器的品质因数和谐振频率；f是测量频率。
(2)τ必须足够大，应保证脉冲对换能器有足够长的作用时间，能使它各部分之间充分相互作用。这实际上市使换能器空间达到隐态对τ的要求。为此，τ应满足以下条件：
其中，d换能器沿声波传播方向上的最大尺寸；c水中自由场声速。
(3)τ不能过大，应保证脉冲宽度所对应的水中行程小于直达声程与最近反射声程之差，以免来自边界或障碍物的反射对直达声产生干扰，这要求：
式中：r来回反射声声程，d直达声程。
(4)τ不能过大，应保证在发射和接收换能器的尺寸较大以致它们之间的声反射不可忽略时，能够避免反射的影响。这要求τ满足：
其中，d是两换能器之间的间距。
其次，是正确选择脉冲重复周期t。
在水声测量中对t有两种相反的要求，一方面要求t小些，即重复频率高些，以便易于采集、读取或记录；另一方面要求t大些，使边界反射声或混响声在下一脉冲到来之前能完全消失衰减至允许值。在实际测量中，应根据所用仪器设备、水域大小、消声与否和换能器的布置等情况，综合考虑确定t值，t应满足以下条件：
其中t60是水池的混响时间，即自脉冲结束至声级衰减60db的时间。
当满足以上条件时，水听器在接收下一个直达脉冲声之前，前一脉冲的所有反射声都已衰减至比直达声小40db以上，这时反射声对直达声测量值的影响不大于0.1db。
对于水箱尺寸不大时，t60比较大，即混响时间比较长。为了满足式(5)的要求，脉冲重复周期也应较长。这将给测量带来不利影响和不便。为了避免这种情况，在采用脉冲声测量技术时，还应水池壁作必要的消声处理。
第二种利用空间平均技术的低频混响场校准方法。
在水箱中声场势函数特解为：
表明该声场中存在着大量的简正波。
水箱内的声场是由发射换能器发出的直达声和水箱壁面反射的反射声组成的，在靠近发射换能器的位置，直达声的作用大于反射声，在远离发射换能器的位置，反射声的作用大于直达声，随着距离发射换能器距离的增加，直达声的作用逐渐减小，反射声的作用逐渐增大，在直达声与反射声相等的临界位置处，距离发射换能器的距离就是混响半径，也叫混响距离。只有在发射换能器的混响半径之外，才能被认作是混响声场。混响半径与水箱的体积和混响时间有关系：
其中，t60是水池的混响时间，可以采取脉冲中断法来测量水箱内的混响时间。
本发明的优势为：(1)功能强大、用途广泛。该装置可以满足水声专业本科阶段的所有相关水声课程的实验需要，包涵本专业主干课程声学基础、水声学、水声换能器和声呐技术四门课程涉及的内容；(2)技术成熟、稳定可靠。该装置依托水声试验水池建设研究成果和相关的水声科研成果设计完成，采用声学脉冲测试技术，利用先进的水声换能器及其配套测试设备，经过近十年的教学应用证明：该装置稳定可靠、技术先进适于实践教学；(3)构成成本低、操作简便。该装置的设计技术来源于试验水池，但考虑教学特点简化了系统组成，在保留其功能的前提下降低了操作难度，更适于初学者使用和教学应用。(4)安全性高。与试验水池相比较，在该装置中完成各种实验项目，大大降低了安全风险。
以上所述，仅为本发明的一种具体实施方式，但不作为对本发明保护范围的限制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所指出的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。