压电水声换能器声辐射模态测量方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种基于联合近场声全息的压电水声换能器声辐射模态测量方法及系统，该方法采用联合近场声全息重建声场声压及辐射面振速，在以测量数据为依据并结合声场辐射的理论获得声辐射算子矩阵的基础上，将压电水声换能器的声辐射功率表示为一个正定的二次型，然后利用矩阵的正定和共扼性，获取结构的声辐射模态；该系统包括玻璃水槽、带有PXI总线的工控机，基于PXI总线的换能器激励模块、声压和振速采集模块及三维运动平台；本发明的方法和系统突破当前复杂水下结构声辐射模态只能数值求解这一限制，为压电水声换能器的研究提供一种新的思路，也为水声压电换能器结构优化提供依据。
【专利说明】压电水声换能器声辐射模态测量方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明属于压电水声换能器【技术领域】，具体涉及压电水声换能器声辐射模态测量方法及系统。
【背景技术】
[0002]随着我国海洋战略的实施，在海洋资源探测开发的技术竞争日趋激烈，围绕海洋资源的军事对抗不断蔓延的背景下，具有低频、大功率、深水、小尺寸等特性的水声换能器这一声纳技术的基石受到了越来越多的重视。传统结构的水声换能器受到设计理论上的限制，同时实现上述技术指标较为困难，为此，基于新机理、新材料、新工艺设的水声换能器成为了发展方向。而压电材料具有较高的电声效率，材料来源广泛，压电式水声换能器的研究和应用最为广泛。
[0003]压电水声换能器作为一种典型声源将结构振动与声福射紧密结合,关于其研究大多借助于力学领域的模态分析方法，不仅在振动空间内考察结构位移、振速，还试图直接利用振动模态函数来表征换能器的声辐射性质，把结构振动的分布作为边值问题来计算声场，忽略了辐射面的几何形状、声学环境等与声辐射有关的因素，更为致命的是由于结构模态间的耦合的存在，结构模态函数并不是换能器的辐射声场的一组基函数，表面振动的主导振动模态频率在结构声辐射中并不一定占主导地位，通过振动模态来研究结构振动的声辐射变得极为复杂。对于结构、激励力和声辐射环境组成的一个振动声辐射系统，振动与声辐射有密切关系，因此，从声辐射模态这一全新视角研究压电水声换能器有重要意义。
[0004]然而关于声辐射模态的研究才刚起步，理论研究仅限于具有简单规则形状的结构，对于简单的二维结构或三维对称结构，可使用解析方法获得其声辐射模态；对于三维空间结构的辐射声场还需要借助于有限元和边界元等数值方法来解决，其声辐射模态的理论研究更为繁琐；迄今为止，关于水声压电换能器声辐射模态测量还是空白。
【发明内容】
[0005]为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供压电水声换能器声辐射模态测量方法及系统，本发明的方法和系统突破当前复杂水下结构声辐射模态只能数值求解这一限制，为压电水声换能器的研究提供一种新的思路，也为水声压电换能器结构优化提供依据；基于联合近场声全息的压电水声换能器声辐射模态测量系统采用基于虚拟仪器的体系结构和模块化设计策略，可在确保一定的硬件资源下，能够通过软件配置和升级,柔性调整系统的应用范围和对象。
[0006]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]电水声换能器声辐射模态测量方法，包括以下步骤:
[0008]步骤1:采用基于声压和振速的联合近场声全息重构换能器辐射面的振速及辐射声场信息；
[0009]步骤:2:以换能器辐射面声压和振速的重建数据为基础，通过单元辐射器法求取近场声辐射算子矩阵；
[0010]步骤:3:使用近场声辐射算子矩阵及换能器辐射面振速将换能器的辐射声功率表示为二次型矩阵，然后利用矩阵的正定和共扼性对二次型矩阵进行特征值分解最终获得压电水声换能器的声福射模态。
[0011]步骤I所述的采用基于声压和振速的联合近场声全息重构换能器辐射面的振速及辐射声场信息，具体包括如下步骤:
[0012]①测量换能器半辐射空间内包含所有辐射方向的半球形全息面上的声压及法向振速；
[0013]②获取半球形全息面上各测量点声压的相位信息；
[0014]③利用半球形全息面上声压和法向振速的叠加原理以及波数域的欧拉公式，通过声场分离算法从由①、②两步骤获取的声场复声压及振速信息中萃取出入射声场对应的分量，减小可能存在的反射带来的重建误差；
[0015]④以步骤③获得的入射声场的声压及振速信息为基础，确定换能器辐射面内部的等效源强；
[0016]⑤根据等效源强在声场中所占的权重关系来重建换能器辐射面振速及声场的
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[0017]步骤①所述的测量换能器半辐射空间内包含所有辐射方向的半球形全息面上的声压及法向振速，具体方法为:
[0018]三维运动平台带动矢量水听器沿包含换能器所有辐射方向的半球形全息面逐点扫描，同时测量声压及法向振速；为满足不失真条件至少需要4(N+1)2个采样点，使用等角度采样策略，在球坐标系的Θ和φ方向分别取2(N+1)个采样点，其中N需满足
[0019]
【权利要求】
1.压电水声换能器声辐射模态测量方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:采用基于声压和振速的联合近场声全息重构换能器辐射面的振速及辐射声场信息； 步骤:2:以换能器辐射面声压和振速的重建数据为基础，通过单元辐射器法求取近场声福射算子矩阵； 步骤:3:使用近场声辐射算子矩阵及换能器辐射面振速将换能器的辐射声功率表示为二次型矩阵，然后利用矩阵的正定和共扼性对二次型矩阵进行特征值分解最终获得压电水声换能器的声福射模态。
2.根据权利要求1所述的压电水声换能器声辐射模态测量方法，其特征在于，步骤I所述的采用基于声压和振速的联合近场声全息重构换能器辐射面的振速及辐射声场信息，具体包括如下步骤: ①测量换能器半辐射空间内包含所有辐射方向的半球形全息面上的声压及法向振速； ②获取半球形全息面上各测量点声压的相位信息； ③利用半球形全息面上声压和法向振速的叠加原理以及波数域的欧拉公式，通过声场分离算法从由①、②两步骤获取的声场复声压及振速信息中萃取出入射声场对应的分量，减小可能存在的反射带来的重建误差； ④以步骤③获得的入射声场的声压及振速信息为基础，确定换能器辐射面内部的等效源强； ⑤根据等效源强在声场中所占的权重关系来重建换能器辐射面振速及声场的声压。
3.根据权利要求2所述的压电水声换能器声辐射模态测量方法，其特征在于，步骤①所述的测量换能器半辐射空间内包含所有辐射方向的半球形全息面上的声压及法向振速，具体方法为: 三维运动平台带动矢量水听器沿包含换能器所有辐射方向的半球形全息面逐点扫描，同时测量声压及法向振速；为满足不失真条件至少需要4(N+1)2个采样点，使用等角度采样策略，在球坐标系的θ和φ方向分别取2(N+1)个采样点，其中N需满足
4.根据权利要求2所述的压电水声换能器声辐射模态测量方法，其特征在于，步骤②所述的获取全息面各测量点的声压的相位信息，具体方法为: 使用针式水听器测量声场中一个固定于换能器辐射面附近，与声源保持预设相位关系的参考点声压，通过计算全息面上各测量点声压和与参考点声压之间的互相关函数获取全息面上各点的相位，为尽量减小对入射声场的干扰，尽量选择能够获得的具有最小直径的针式水听器。
5.实现权利要求1至4任一项所述方法的压电水声换能器声辐射模态测量系统，其特征在于，包括玻璃水槽(1)、带有PXI总线的工控机(2)，基于PXI总线的换能器激励模块(3)、声压和振速采集模块(4)及三维运动平台(5)； 所述带有PXI总线的工控机(2)用于设置信号发生器波形、频率、幅值，分析对象属性、空气密度、声速、采样率、采集时长、扫描方式系统参数，并对采集数据进行处理、分析、显示，此外还为基于PXI总线的换能器激励模块(3)、声压和振速采集模块(4)及三维运动平台(5)提供总线接口 ； 所述基于PXI总线的换能器激励模块(3)由依次连接的基于PXI总线的信号发生器(6)、线性功率放大器(7)及自动阻抗匹配仪(8)组成，所述基于PXI总线的信号发生器(6)和带有PXI总线的工控机(2)的PXI总线接口连接，所述自动阻抗匹配仪(8)和置于玻璃水槽(I)中的换能器连接，其中基于PXI总线的信号发生器(6)用于产生换能器驱动信号，经线性功率放大器(7)和自动阻抗匹配仪(8)后加载于换能器上，保证换能器处于最佳工作状态； 所述声压和振速采集模块(4)由矢量水听器(10)和针式水听器(9)，以及与矢量水听器(10)和针式水听器(9)均连接的调理和预放大单元(11)及基于PXI总线的高速数据采集处理卡(12)组成，所述基于PXI总线的高速数据采集处理卡(12)和带有PXI总线的工控机(2)的PXI总线接口连接，其中矢量水听器(10)用于测量辐射声场声压和振速，将声场的声压和振速转换成电压信号，并经过调理和预放大单元(11)传输给基于PXI总线的高速数据采集处理卡(12);针式水听器(9)用于测量位于声源附近参考点的声压信号，声压转换为电压信号后同样经过调理和预放大单元(11)传输给基于PXI总线的高速数据采集处理卡(12);基于PXI总线的高速数据采集处理卡(12)用于采集调理、预放大后的矢量水听器(10)及针式水听器(9)的输出信号，将模拟电压信号转换为数字量以一定的文件格式保存进计算机中； 所述三维运动平台(5)用于带动安装于其上的矢量水听器(10)运动，实现测量面上数据的采集，其主要由依次连接的基于PLC的三维移动平台控制器(13)、步进电机驱动器(14)、步进电机(15)及机械本体(16)组成，所述三维移动平台控制器(13)和带有PXI总线的工控机(2)的总线接口连接，所述矢量水听器(10)安装在机械本体(16)上。
6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述步进电机驱动器(14)由X轴步进电机驱动器、Y轴步进电机驱动器和Z轴步进电机驱动器组成。
7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述步进电机(15)包括由与X轴步进电机驱动器、Y轴步进电机驱动器和Z轴步进电机驱动器连接的X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴步进电机组成。
8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述机械本体(16)包括由与X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴步进电机连接的X轴丝杠执行机构、Y轴丝杠执行机构和Z轴丝杠执行机构组成。
【文档编号】G01H17/00GK103743469SQ201310676046
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】王铁军, 贾坤 申请人:西安交通大学