一种水下自容式声强仪及声强测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声计量测试领域，尤其涉及能够在空间三维方向上测量20Hz-2000Hz频段范围内的水下声强的，一种水下自容式声强仪及声强测量方法。
【背景技术】
[0002] 声强是表示声场中声能流大小和方向的物理量。在水声工程应用领域，利用声强 可以进行水下目标探测与识别、海洋环境探测以及水下声源结构振动声辐射特性等分支领 域的研究。
[0003] 声强仪的研究始于上世纪30年代。美国RCA公司的HarryOlson在1931年就 发明了用于空气声学中的声功率测试系统；1956年，TJSchultz应用RHBolt的双传声 器法的原理，通过两个传声器的声压信号求得质点振速，从而开创了空间声场中质点振速 间接测量的先河，为声强测量的发展做出了巨大的贡献。到1977年，英国南安普敦大学的 F.J.Fahy证明了声强的互谱关系式以后，声强测量的应用愈来愈广泛。
[0004]目前，国内外通用的声强仪大多是使用P-P法进行声强测量，即利用双传感器（双 传声器或双水听器）作为声强探头，利用有限差分近似的方法获得声场中质点振速信息， 从而间接得到声强。典型产品有丹麦B&K公司推出的便携式声强测量仪B&K4433(双传声 器探头的型号为B&K3520)、日本小野测器公司推出的CF-6400声强测量系统（三维声强探 头型号为MI-6420)以及丹麦G.R.A.S公司的50VX型声强探头等。而在水下声强测量方 面，由于双声压水听器之间的不一致性，导致利用该方法得到的结果存在较大误差，理论计 算和实验验证都对此进行了证明。
[0005] 相比于双声压水听器声强探头，利用单矢量水听器作为声强探头，不仅能测量水 下声压量，还能同步、共点的测量水下质点振速，大大减少了双水听器声强测量法的原理误 差，提高了测量精度。早在1965年，F.Schloss就申请了名为"质点加速度型声强计"的专 利，该声强探头采用压电陶瓷作为敏感元件。在此后的几十年里，学者们设计出了多种用于 水声的声强探头，推动了水下声强测量技术的发展。Thomas等人利用振速传感器和压电陶 瓷研制出能够同时获得声压、振速和声压梯度的声强探头，可以检测水下某一平面内的声 压与质点振速信息。K.J.Bastyr等人基于地探器研制出可测量加速度的U-U声强探头。国 内上世纪90年代，哈尔滨工程大学的何元安利用一种柱形标-矢量水听器构成了一套P-U 法声强测量系统，并利用该系统进行了水下大型受激振动结构的声强测量的实验研究，其 结果表明这种系统和方法是有效的。
[0006] 综上所述，基于矢量水听器的声强探头能够大幅度提高水下声强测量工效，可广 泛应用于海洋检测，海洋地质考察，水下目标探测等领域，具有广阔的应用前景。但是，由于 信号采用电缆传输，过程中由电缆带来的干扰往往会影响声强测量系统整体的声学性能和 技术指标；与此同时，深海测量所需要的电缆过长，既不方便布放，又增加了测量成本，降低 了系统可靠性。随着小型化、低功耗集成电路地发展，以及大容量、小体积电池的出现，无需 线缆并且可以将信息存储到仪器内部的自容式仪器被越来越多地应用到各个领域。另外， 虽然水下声强测量拥有极高的应用价值，但传统的获得该物理量的方法仍然是以水听器得 到的声压和振速量作为基础，利用后处理得到瞬时声强、平均声强及复声强。截止目前，并 没有直接将瞬时声强、平均声强及复声强作为输出量的水下声强测量仪，当然，也未见水下 自容式声强仪的文献报道。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种不利用电缆即可将瞬时声强、平均声强及复声强数据存 储在仪器内的水下自容式声强仪。本发明的目的还包括提供一种速度快、效率高的，基于水 下自容式声强仪的声强测量方法。
[0008] -种水下自容式声强仪，包括声强探头1，存储仓2,信号调理模块3,微处理及存 储模块4，电源模块5，上盖板6，数据读取端口 7、蓄电池充电接口 8、下隔板9、上隔板10、以 及〇型圈11 ;
[0009] 声强探头1安装在存储仓2底座下端，存储仓2内部设置有下隔板9和上隔板10， 信号调理模块3安装在下隔板9上，微处理及存储模块4和电源模块5安装在上隔板10上， 数据读取接口 7和蓄电池充电接口 8设置在存储仓2的上盖板6上，并以0型圈11密封； [0010] 声强探头1的输出端与信号调理模块3的输入端连接，信号调理模块3的输出端 与微处理及存储模块4连接，电源模块5同时给声强探头1、信号调理模块3以及微处理及 存储模块4供电，数据读取接口 7与微处理及存储模块4连接，蓄电池充电接口 8与电源模 块5连接。
[0011] 本发明一种水下自容式声强仪，还可以包括：
[0012] 1、声强探头包括3个振动传感器、2个半球形压电陶瓷和连接法兰；
[0013] 3个振动传感器分别放置在正三角形连接法兰顶点处，3个传感器整体重心与三 角形中心重合，3个传感器主轴方向两两之间相互垂直，且分别与X、Y、Z三个直角坐标轴线 平行；通过连接法兰连接后的3个振动传感器位于一个半球形压电陶瓷中心处，采用低密 度复合材料将二者灌注在一起，再于另一个半球形压电陶瓷灌注在一起，形成声强探头内 部敏感元件；将声强探头内部敏感元件通过隔振材料和存储仓底座连接在一起，最后在声 强探头内部敏感元件外出利用聚氨酯材料灌封外壳。
[0014] 2、信号调理模块3包括4通道信号调理电路，各通道包括滤波单元、放大单元和数 据转换单元，各通道单独封装。
[0015] 3、声强探头1测量得到三路振速信号和一路声压信号，传送给信号调理模块3,经 调理后信号进入微处理及存储模块4处理，得到瞬时声强、平均声强及复声强数据并保存。
[0016] -种基于水下自容式声强仪的声强测量方法，包括以下步骤，
[0017] 步骤一：声强探头测量得到三路振速信号和一路声压信号，传送给信号调理模 块；
[0018] 步骤二：信号经过调理后传送给微处理及存储模块；
[0019] 步骤三：将声压信号p(t)与质点振速信号u(t)联合处理后，得到X，y，ζ各方向 上的瞬时声强和平均声强；
[0020] X，y，ζ各方向中某一方向的瞬时声强为：
[0021] I(t) =p(t)u(t)
[0022] 平均声强：
[0023] _
[0024] 对一段时间内的信号做快速傅立叶变换（FFT)，计算得到X，y，z各方向上的复声 强；
[0025] X，y，z各方向中某一方向复声强为：
[0026]
[0027] 其中，Ρ(ω)和υ(ω)分别是p(t)与u(t)的傅里叶变换，*表示复共辄。
[0028] 有益效果：
[0029] 本发明的三维水下自容式声强测量仪，将矢量水听器与信号调理、处理、存储及供 电一体化设计，避免了在实际深海测量中使用电缆，大大降低了由电缆带来的干扰，提高了 水下声强测量的整体性能和指标，并提高了声强测量系统在实际工程应用中的可靠性；其 次，本发明采用三维矢量水听器作为声强探头，可以直接测量水下省常中三维瞬时声强、平 均声强及复声强；同时，本发明将三维瞬时声强、平均声强及复声强存储在仪器内部，不但 节省了计算该物理量所花费的后处理时间，同时为后续信号处理提供了更为丰富的选择。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明水下自容式声强仪的内部结构图；
[0031]图2是本发明声强探头结构不意图；
[0032] 图3是本发明水下自容式声强仪原理框图；
[0033] 图4是本发明中信号调理模块框图；
[0034] 图5是本发明数据处理及存储流程图。
【具体实施方式】
[0035] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0036] 本发明的目的在于克服现有技术所存在的不足之处，提供一种利用矢量水听器作 为声强探头，并将信号调理模块、微处理模块、数据存储模块及电源模块一体化设计于存储 仓内作为水下湿端，不利用电缆即可将瞬时声强、平均声强及复声强数据存储在仪器内的 三维水下自容式声强仪。
[0037] 所述声强探头由三只独立的振动传感器和两只半球形压电陶瓷组成，振动传感器 放置于半球形压电陶瓷中心处，采用低密度复合材料将二者灌注在一起，最后包覆聚氨酯 材料外壳，形成球形声强探头。声强探头法兰盘上有〇型圈凹槽，采用〇型圈将声强探头与 储仓之间水密，并用螺栓固定。
[0038] 所述存储仓内包括信号调理模块、微处理模块、数据存储模块以及电源模块。
[0039] 所述存储仓外壳由不锈钢制造，上盖板具有水密作用。
[0040] 所述存储仓的数据读取接口、蓄电池充电接口均在其上盖板上，并以密封盖