一种高静水压下水声发射换能器声学性能测量方法与流程

本发明涉及水声换能器测量领域，具体属于高静水压下水声换能器声学参数测量范畴，主要是一种高静水压下水声发射换能器声学性能测量方法。

背景技术：

随着海洋产业的不断发展，深水资源的开发已提上议事日程，而各种深水海洋勘测仪器是深海开发不可缺少的设备，如深水条件下工作的无人探测设备、水声探测网络和载人深潜器等。这些在深水条件下工作的水声设备，都需要用到能在深海中工作的深水换能器，为了让这些设备能在深海下正常工作，这些安装在其上的水声换能器性能必须预先进行测量。

为了准确评估深水换能器的性能，通常是通过在密闭水罐中施加静水压的方式建立一个模拟的深水环境，将待测量的换能器和水听器布置于压力水罐中，根据水听器测量的声压信号和加载至发射换能器的电信号，即可得到发射换能器的发送电压响应、声源级等参数。但是，在较高的静水压下，测量水听器的灵敏度会随着压力的变化而变化，这直接影响了发射换能器声性能测量结果的准确性。同时，当静水压超过一定限度时，水听器可能产生不可逆转的损坏，造成损失，增加测量成本。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决高静水压下水声发射换能器声学参数的准确测量问题，克服采用水听器进行测量时的缺点，而提供一种高静水压下水声发射换能器声学性能测量方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种高静水压下水声发射换能器声学性能测量方法，待测换能器和反光膜片置于压力水罐中，激光束通过压力水罐上的透光窗入射到声场中，信号源产生单频正弦填充脉冲波信号，经过功率放大器放大后驱动待测换能器向水介质中辐射声波，反光膜片置于换能器辐射声场的远场，激光束穿过透光窗入射到反光膜片上，入射激光束经反光膜片反射后返回激光测振仪，由激光测振仪测量得到声场中的质点振速值，进而得到激光入射到反光膜片处的声压值。

作为优选，所述的压力水罐为一个防水密封的罐体，罐体采用钢、合金或高分子树脂这些高强度刚性材料。

作为优选，所述的压力水罐上开有的透光窗，透光率大于90％，用于激光的入射和测量时对罐体内部情况进行观察；罐体内部为中空结构，装有运动定位装置，以保证测量所需的定位和调节要求。为保证罐体内具有良好的声场条件，罐体内壁安装吸声结构。

作为优选，所述的压力水罐和透光窗满足耐静水压要求。

作为优选，所述的压力水罐内静水压力通过静水压施加系统精确控制。

作为优选，反光膜片为聚酯薄膜镀一层反光材料，反光膜片的厚度应远小于测量时声波的波长，声波在反光膜片处是全透射的，反光膜片与声场中质点作同相振动。

所述的压力水罐，是一个可以防水密封的罐体，罐体一般可以采用钢、合金或高分子树脂等高强度刚性材料，罐体上开有光学窗，用于激光的入射和测量时对罐体内部情况进行观察，罐体和光学窗要满足耐静水压要求。罐体内部为中空结构，装有运动定位等机械机构，以保证测量所需的定位和调节要求。水罐内充满水后，通过静压力施加系统，控制和改变水罐内的静水压。

所述的反光膜片，主要功能是对声场中的质点振速进行拾取，并能将激光束反射回激光测振仪探头。反光膜片一般为聚酯薄膜镀一层反光材料，膜片厚度应远小于测量时声波的波长，声波在膜片处是全透射的，膜片与声场中质点同相振动。

本发明采用的测量原理如图1所示，测量系统中包括信号源、功率放大器、待测换能器、反光膜片、激光测振仪、前置放大器、数字滤波器、数字示波器、控制计算机等。待测换能器布置在压力水罐中，信号源的信号经过功率放大器放大后激励发射换能器发射声波，在其声学远场放置反光膜，膜片可与声场中的质点振速作同相振动，换能器与反光膜之间的距离为d，激光测振仪发出的激光束入射到反光膜表面，反光膜的作用是拾取该位置处声场的质点振速，同时将激光束反射回激光测振仪探头与参考激光进行干涉，用以解调出声场中的振动信号量值。若加载到换能器两端的电压值为u，激光测振仪检测到的质点振速为u，则有，膜片所在位置处的声压p为：

p＝ρcu/n^*(1)

其中，ρ为水介质的密度，c为水介质的声速，n^*为声波存在时介质的等效折射系数，反光膜片置于换能器的声学远场，声波可近似等效为平面波，则有：

n^*＝n0-n1(2)

n0是介质在无扰动情况下的光学折射率，n1为光弹系数，即由于介质密度的变化引起的折射率的变化。水介质的光学折射系数n0为1.33，n1为0.32，因此，等效折射系数在平面波条件下约为1.01。

膜片所在位置处的声压计算得到后，换能器的发送电压响应为：

sv＝p*d/u(3)

换能器发送电压响应级为：

sv＝20lg(sv/svref)＝20lgp+20lgd-20lgu+120(4)

其中，svref＝1μpa·m/v

换能器的声源级为：

sl＝20lg(p*d/pref)＝20lgp+20lgd+120(5)

本发明的有益效果为：通过在可以透光的压力水罐中，利用光学方法测量得到换能器辐射声场远场中特定位置的质点振速，计算得到该位置处的声压量值，进而得到水声换能器在高静水压下的发送电压响应级、声源级等声学参数。该方法测量时不需要借助于标准水听器或者测量水听器，同时该方法又是一种非接触式测量方法，不会对声场产生扰动。

附图说明

图1本发明所采用的换能器测量系统构成框图；

图2水介质声速随着静水压的变化曲线。

附图标记说明：压力水罐1，透光窗2，待测换能器3，反光膜片4。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明一种高静水压下水声发射换能器声学性能测量方法，具体实施时，需要构建换能器测量系统，如图1所示，包括信号源、功率放大器、待测换能器3、反光膜片4、激光测振仪、前置放大器、数字滤波器、数字示波器、控制计算机等。在于，待测换能器3和反光膜片4置于高静水压压力水罐1中，激光束通过压力水罐1上的透光窗2入射到声场中，信号源产生单频正弦填充脉冲波信号，经过功率放大器放大后驱动换能器向水介质中辐射声波，反光膜片4置于换能器辐射声场的远场中，距离换能器声中心距离为d，反光膜与声场中的质点振动作同相振动，激光测振仪发出的激光束穿过透光窗，入射到反光膜片上，入射激光束经反光膜片反射后返回激光测振仪，由激光测振仪完成光学信号的解调和输出。

质点振速信号经过前置放大器和数字滤波器调理后，输入到数字示波器，控制计算机采集数字示波器的信号并进行fft处理，可以得到激励信号频率下振动信号的幅度u，同时采集加载到换能器两端的电压值u。根据公式(1)，即可得到膜片所在位置处的声压量值p。

水介质可以认为是不可压缩的，因此随着静水压的改变，水介质的密度变化很小，可以忽略不计。水介质的声速是随静水压的变化而变化的，水温20℃时，水介质的声速随压力的变化如图2所示。声场中的声压量值得到之后，根据公式(4)和(5)即可计算待测换能器的发送电压响应和声源级。

改变不同的激励信号频率，即可得到换能器在特定静水压条件下的声参数的频响特性。改变静水压条件，重复上述过程，即可得到换能器在不同静水压激励条件下，声参数的频响特性。

借助于运动定位机构使得发射换能器在水平或者垂直方向作绕轴回转运动，记录不同角度下，反光膜片上激光入射点处的声压量值并进行归一化处理，便得到发射换能器在特定工作频率、特定静水压条件下辐射声压随着角度的变化图，即指向性图。

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。