一种驻波声场中声速和水听器相对灵敏度的原位在线校准方法与流程

：
1.本发明属于计量测试领域，具体涉及一种驻波声场中声速和水听器相对灵敏度的原位在线校准方法。


背景技术：

2.随着水声对抗技术和声纳技术水平的发展，当前，我国探潜用主动声纳的工作频率在几千赫兹，被动声纳的工作低频限达到了几百赫兹，工作深度普遍达到450m。声纳装备上的声障板声性能的好坏直接影响着水下换能器及基阵性能的优劣，乃至整部声呐的技术指标，影响探潜能力。而装备于潜艇上的消声瓦和隔声瓦，在高静水压下工作频段内的声学和振动性能则直接关系到潜艇的“隐身”性能。由此，在装备和型号的研制生产过程，需要对声障板、消声瓦和隔声瓦等水声无源材料构件在不同的工作频，不同的温度环境和不同的水压环境下的声振特性进行准确评估和检验，从而保证军品质量。
3.现有技术中的“水-构件-空气”分层模式的驻波管校准装置和模拟“水-构件-水”工作模式的行波管校准装置的情况如下，驻波管声管结构如图1所示，包括驻波管管体、一个发射换能器和一组水听器(3～4个水听器)，配置电子测量仪表和配套的变温变压控制系统后构成驻波管校准装置。驻波管垂直放置，发射换能器置于底部，管口放置被测材料样品，水听器采用嵌入式的方法安装在声管管壁上。通过发射换能器发射长脉冲信号，声管内形成平面驻波声场，根据测试频率选择一对水听器进行声信号采集，经过信号分离，可计算出“水-构件-空气”分层模式的材料构件声压反射系数(回声降低)和吸声系数等声性能参数。
4.行波管声管结构如图2所示，包括行波管管体、一对发射换能器和一套水听器，配置电子测量仪器以及配套的变温变压和机械控制系统后构成行波管校准装置。行波管垂直放置，中上段和下段组成，发射换能器和辅助换能器分别放于底部和顶部，声管中部放置被测材料样品。水听器同样嵌入式方式安装在行波管的管壁上。上下两段声管管壁上分别嵌入4～5个水听器。测试时，首先根据测试频率选择的水听器对，根据采集到的上管声场，使用辅助发射器实现主动消声控制，在上管中建立行波声场，下管形成驻波声场。通过信号采集，分离技术，实现对“水-构件-水”分层模式的水声材料构件声压反射系数(回声降低)、声压透射声压(插入损失)、吸声系数等参数的校准测试。
5.无论是采用行波管还是驻波管对水声材料构件的声学性能进行校准，在声管内均设计生成平面驻波声场，采用多水听器传递函数法或传递矩阵法进行入射声波和反射声波分离。以驻波管1#和2#水听器测试为例，可以计算得复声压反射系数：
[0006][0007]
其中，k为波数，k＝2πf/c，f为频率，c为当前水温水压条件下，管中水介质声速；x1和x2为1#和2#水听器位置；l
12
为1#和2#水听器的间距；h
12
为水听器传递函数：
[0008][0009]
这里，a1和a2为1#和2#水听器接收的电压信号幅值，和为水听器接收的电压信号相位值，m1和m2分别为当前水温水压条件下，当前频率下，水听器的灵敏度幅值，θ1和θ2为当前环境和频率条件下，两个水听器的灵敏度相位值。
[0010]
各路水听器的电压信号幅值和相位由高精度和高分辨率的采集设备进行在线采集，其测量误差也可以忽略。影响声压反射系数测量结果准确性的主要是水听器对的相对灵敏度偏差(包含幅值偏差和相位偏差)以及管中水介质声速。虽然声管采用高精度加工，水听器的定位精度很高，但安装过程中难免有微小偏差，水听器的位置偏差对r的测量也有影响。
[0011]
根据波导理论，一般用自由场中，蒸馏水声速的0.98倍作为管中水介质声速。自由场中蒸馏水的声速采用理论公式计算，与温度t的关系为：c0＝1557-0.0245
×
(74-t)2。公式计算的管中水介质声速与实际变温变压环境条件下管中声速存在偏差。
[0012]
此外，受限于国内现有的水听器校准技术，驻波管和行波管的水听器在安装前仅开展常压条件下的灵敏度一致性校准。采用振动液柱法校准水听器灵敏度，声压灵敏度测试的测量不确定度为0.6db(k＝2)，相位测试的测量不确定度为4
°
(k＝2)。测量不确定度较大。水听器安装到声管上后，环境温度和压力根据测试条件而变，水听器灵敏度也会跟着变化。所以，常压环境水听器灵敏度校准数据显然是不够的，用常压数据替代压力条件下的校准数据会导致测得的材料样品的声学性能出现较大的偏差。
[0013]
对此，本技术人公开了中国专利公开号为cn110160622a的一种行波管水听器灵敏度一致性在线校准方法，它是一种利用行波声场的特性，在行波管中进行特点环境条件下多路水听器同时校准的技术。由于构建平面行波声场相对较为困难，只适用于在行波管内开展水听器相对灵敏度相幅校准，且水介质声速不同时参与校准，也未对水听器位置进行校准。


技术实现要素：

[0014]
本发明所要解决的技术问题是，提供一种驻波声场中声速和水听器相对灵敏度的原位在线校准方法，针对背景技术提及的装置中，对嵌入声管的至少三个水听器的相对灵敏度以及声管内水介质的声速的校准，补偿由于水听器本身灵敏度差异和安装、水温、水压等引入的一致性影响。
[0015]
本发明的技术解决方案是，提供一种驻波声场中声速和水听器相对灵敏度的原位在线校准方法,包括以下步骤，
[0016]
1)通过水听器校准方法，如振动液柱法，对待装水听器在常压下进行校准，出具校准证书；
[0017]
2)根据步骤1)的校准数据，按照一致性进行排序，挑选一致性靠前的多只水听器嵌入安装到声管壁上，并依次进行编号；
[0018]
3)声管中注入蒸馏水，抽真空，消除水中气泡；
[0019]
4)根据需要，将声管水温和静水压力控制到预定值，待稳定后进行水中声速和水听器位置、相对灵敏度的原位在线校准；
[0020]
5)发射校准频率的单频长脉冲信号或单频连续波信号，在声管内建立平面驻波声场，以及根据被校水听器的个数列出声管内入射声压和反射声压等式的实部等式和虚部等式，求解多元非线性方程组将经典公式计算得到的管中声速、声管图纸设计的水听器位置以及离线校准的水听器灵敏度相幅特性作为未知量的初步估计值，或者列出超定方程，用最小二乘法对未知量进行校准；
[0021]
6)根据公式(1)计算不同水听器组合计算得到的反射对象的声压反射系数幅值和相位，比较各计算结果校准前后的偏差，若校准后相幅偏差远小于校准前的相幅偏差，则认为多参数校准有效；
[0022]
7)根据校准后参数开展当前水温水压下，当前频率的声学材料声性能测量；
[0023]
8)根据需要调节行波管水温和静水压，重复步骤5)～7)，直至全部环境条件下的校准和材料声性能测量。
[0024]
9)释放静水压至常压。
[0025]
作为优选，步骤5)中，在平面驻波声场环境中，任意两只水听器组成水听器对，利用传递函数测得的反射界面的复声压反射系数应相等，若挑选一致性靠前的三只水听器，可联立多元非线性方程组，若挑选一致性靠前的水听器超过三只则建立超定方程，将经典公式计算得到的管中声速、声管图纸设计的水听器位置以及离线校准的水听器灵敏度相幅特性作为未知量的初步估计值，利用最小二乘法校准获得当前水温、水压环境下声管内水介质的声速、各个校准水听器的位置以及水听器间的相对灵敏度幅值和相位。
[0026]
作为优选，校准信号为正弦连续信号或正弦长脉冲，通过在特定的水温、静水压条件下频率点逐次校准，原位在线校准整个测量频段、全部工作水温和静水压范围内管中声速、水听器位置和相对灵敏度相幅特性。
[0027]
进一步的，每次水声材料声学特性测量前开展多参数的原位在线校准，可以减少管中水介质声速计算结果与实际声速的偏差、水听器定位偏差以及水听器灵敏度相幅不一致引起的测量误差，使样品声学特性参数的测量更加精准。
[0028]
采用以上方案后与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0029]
该原位在线校准方法无需在管内先建立近似行波场，直接通过一次信号发射就可以实现管内水听器的相对灵敏度和声速，位置等的校准，不仅校准精度高，而且节省校准时间。由基准数据再进行管中材料样品的声压反射系数、声压透射系数等声学性能的计算，可大幅提升测试效率。
附图说明：
[0030]
图1为驻波管声管结构示意图。
[0031]
图2为行波管声管结构示意图。
[0032]
图3为驻波管中驻波声场示意图。
[0033]
图4为测试时行波管上管水听器灵敏度，声速，位置在线校准的结果示意图。
[0034]
图5为测试时行波管下管水听器灵敏度，声速，位置在线校准的结果示意图。
具体实施方式：
[0035]
下面结合附图就具体实施方式对本发明作进一步说明：
[0036]
本发明公开了一种驻波声场中声速和水听器相对灵敏度的原位在线校准方法,其特征在于：包括以下步骤，
[0037]
1)通过水听器校准方法，如振动液柱法，对待装水听器在常压下进行校准，出具校准证书；
[0038]
2)根据步骤1)的校准数据，按照一致性进行排序，挑选一致性靠前的多只水听器嵌入安装到声管壁上，并依次进行编号；
[0039]
3)声管中注入蒸馏水，抽真空，消除水中气泡；
[0040]
4)根据需要，将声管水温和静水压力控制到预定值，待稳定后进行水中声速和水听器位置、相对灵敏度的原位在线校准；
[0041]
5)发射校准频率的单频长脉冲信号或单频连续波信号，在声管内建立平面驻波声场，以及根据被校水听器的个数列出声管内入射声压和反射声压等式的实部等式和虚部等式，声管内入射声压和反射声压等式可参见如下的式(7)和式(8)，求解多元非线性方程组将经典公式计算得到的管中声速、声管图纸设计的水听器位置以及离线校准的水听器灵敏度相幅特性作为未知量的初步估计值，或者列出超定方程，用最小二乘法对未知量进行校准；
[0042]
6)根据公式(1)计算不同水听器组合计算得到的反射对象的声压反射系数幅值和相位，比较各计算结果校准前后的偏差，若校准后相幅偏差远小于校准前的相幅偏差，则认为多参数校准有效；
[0043]
7)根据校准后参数开展当前水温水压下，当前频率的声学材料声性能测量；
[0044]
8)根据需要调节行波管水温和静水压，重复步骤5)～7)，直至全部环境条件下的校准和材料声性能测量。
[0045]
9)释放静水压至常压。
[0046]
开展校准工作时，首先必须在声管中建立稳定的平面驻波声场。如图1所示的驻波管中，由管底的发射换能器发射单频长脉冲或单频连续信号pi(频率上限由声管的内径决定)，脉冲声到达材料样品后一部分被材料样品吸收，另一部分被反射pr，反射声与入射声在声管内形成稳定的平面驻波声场。图2所示的行波管，可以在不放材料样品时，类似驻波管单向发长脉冲信号或连续声信号，使声管内形成稳定的平面驻波声场，从而对声管内的全部水听器进行灵敏度校准。也可以放入材料样品后对上段声管和下段声管内的水听器分别进行灵敏度校准，底部发射换能器发射信号，顶部辅助换能器不发信号，声信号一部分透过材料样品进入上管，作为上管的入射信号，一部分被次发射器反射，从而在上管内形成驻波声场。同样的可以设计在下段声管内形成稳定的驻波声场校准下管的水听器组，底部发射换能器不发声，顶部辅助换能器发长脉冲或连续信号。
[0047]
以驻波管中校准为例，如图3所示。入射声p
in
和经材料样品反射的反射声p
re
叠加形成稳定的驻波声场，给出了坐标系，材料样品底面为x＝0，给出每个水听器的位置坐标、离材料样品底面的距离、水听器间距。也就是说，m号和n号水听器所在位置处接收的声压信号um和un可用入射声压p
in
和反射声压p
re
表示为：
[0048][0049]
声压信号又可以用水听器接收的电压信号(幅值v，相位)和灵敏度值(幅值m，相位θ)表示：
[0050][0051]
则入射声压p
in
和反射声压p
re
可用下式表示：
[0052][0053]
图1所示驻波管共1#、2#、3#、4#四个水听器，共(1#，2#)，(1#，3#)，(1#，4#)，(2#，3#)，(2#，4#)，(3#，4#)六种水听器组合可以进行声管内入射声压和反射声压的计算。若管中声速、水听器灵敏度幅值相位以及水听器位置得到精确校准，在同一声场环境下，任意组合的水听器对计算得到的声管内入射声压和反射声压都应相同。如选择(1#，2#)和(2#，3#)两组水听器对，则有以下等式：
[0054][0055]
如选择1#，2#，3#水听器两两配对，以3#水听器作为基准，进行相对灵敏度校准，校准的参数包括水中声速c，1#、2#水听器相对于3#水听器的相对灵敏度幅值m
13
，m
23
，相位θ
13
，θ
23
，三个水听器距离材料样品底面的距离d1，d2，d3共8个参数。满足的等式为：
[0056][0057][0058]
其中，m
13
＝m1/m3，m
23
＝m2/m3，θ
13
＝θ
1-θ3，θ
23
＝θ
2-θ3。拆分成四个等式，每个等式又包含实部等式和虚部等式，即八个等式，八个用于校准的未知量。
[0059]
未知量的初步估计值：声速用经典公式计算作为初值，由声管设计图纸确定3个水听器的位置初值，由离线常温常压下校准的水听器数据作为水听器灵敏度幅值相位初值。通过求解多元非线性方程组对八个未知量进行校准。
[0060]
如声管中水听器不止3个，如4个水听器分别组对，可组成20个等式，共11个未知量，5个水听器分别组对，可以组成36个等式，共14个未知量，形成超定方程，可用最小二乘法对未知量进行校准。
[0061]
图4和图5分别是测试时其中一次行波管上管和下管的各个水听器灵敏度，声速，位置在线校准的结果。对校准前后计算的次发射器表面反射系数进行对比分析。显而易见，经校准后，不同水听器组合情况下，无论是上管还是下管，发射器表面的声压反射系数r0＝p
re
/p
in
的幅值和相位一致性极好，而校准前，偏差就较大，尤其是相位角。
[0062]
本发明应用到水声材料驻波管和行波管校准装置，可以大大提高样品声学特性参数的测量精度，是一种全新的水听器校准技术和应用。本发明相比于传统的离线测量方法，解决了在线现场校准和应用环境条件下校准困难的问题，提高了校准精度。本发明相比于行波管水听器灵敏度一致性在线校准方法，解决了平面行波声场构建困难，且校准参数不全面的问题，本发明具有更强的适用性和可靠性。
[0063]
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本发明说明书所做的等效结构或等效流程变换，均包括在本发明的专利保护范围之内。