一种驻波管矢量水听器校准低频修正方法技术

本发明专利技术提供的是一种在常规驻波管中校准矢量水听器灵敏度时，对其低频校准结果进行修正的方法：(1)计算弹性声管波导中矢量声场解析解，将其与理想刚性声管波导中的理论解相比对作为第一修正项；(2)对矢量水听器放入声管后带来的弹性声管波导中声场的畸变规律进行数值计算，通过与矢量水听器未放入声管前的弹性声管波导中的声场分析比对，得出声场第二修正项；(3)根据实际测试情况，带入修正项计算最终的矢量水听器灵敏度低频校准结果。本发明专利技术有效的补偿了由于声管弹性带来的振动辐射对声管内部声场的影响，同时对于被测物尺度对于声管有限声场空间内平面波场畸变的影响也进行了修正，提高了驻波管中校准矢量水听器灵敏度的准确度和精度。

A calibration method for low frequency correction of standing wave tube vector hydrophone

The present invention provides a method for correcting the low frequency calibration results of a vector hydrophone when calibrating its sensitivity in a conventional standing wave tube: (1) calculating the analytical solution of the vector acoustic field in an elastic acoustic tube waveguide and comparing it with the theoretical solution in an ideal rigid acoustic tube waveguide as the first correction term; (2) placing the vector hydrophone in sound The second correction term of the acoustic field is obtained by numerical calculation of the distortion law of the acoustic field in the elastic acoustic tube waveguide behind the tube, which is compared with the analysis of the acoustic field in the elastic acoustic tube waveguide before the vector hydrophone is put into the acoustic tube. (3) According to the actual test situation, the final low frequency calibration of the sensitivity of the vector hydrophone is calculated with the correction term. Fruit. The invention effectively compensates the influence of vibration radiation caused by the elasticity of the sound tube on the sound field inside the sound tube, and corrects the influence of the measured object scale on the plane wave field distortion in the limited sound field space of the sound tube, thereby improving the accuracy and precision of the sensitivity of the calibrated vector hydrophone in the standing wave tube.

【技术实现步骤摘要】
一种驻波管矢量水听器校准低频修正方法
本专利技术涉及驻波管矢量水听器低频校准领域，具体涉及一种驻波管矢量水听器校准低频修正方法。
技术介绍
矢量水听器能够获取水下声场中传播的矢量信号，包括质点位移、加速度、速度以及声压梯度等信号。传统的矢量水听器根据工作机理不同，分为压差式和同振式两种类型，国内外的水声领域对其研究的历史已有几十年，目前已经有了很多成功的应用。常规的矢量水听器灵敏度校准方法有两种：驻波管方法和自由场方法。一般，对于矢量水听器灵敏度的低频校准采用驻波管法，驻波管方法是利用在声管中形成的平面驻波声场来完成的，其声场各参数之间的数学关系简单、明了。平面驻波声场的建立一般大多采用不锈钢声管来实现，归纳起来有两种形式：一是竖直开口的；二是横置封闭的。比如，杭州应用声学研究所的振动液柱法校准装置中采用的声管就是竖直开口的，还有二十世纪六十年代美国人使用的振动液柱法校准声管，另外，美国CBS实验室的Bauer提出了另一种封闭横置的驻波管型式。类似的驻波声管还有很多，但是，在驻波管中能够形成平面驻波的前提条件是声管要满足声学刚性，而根据这个条件，声管的壁厚要足够大，且从理论上讲，不锈钢等材质的声阻抗ρC也不能满足要求刚性要求，也就是说，目前现有的声管中的平面驻波基本上都是近似情况，声管实际情况是弹性管，这对于测量结果的准确性会有所影响。特别是，对于100Hz以下低频驻波声场的设计，根据声管驻波声场形成原理，即使想近似满足平面驻波，声管的设计几何尺寸和质量也很大，约有几吨重，因此，工程上已经不可能实现。另外，矢量水听器的几何尺寸较一般的声压水听器大，将其置放在有限的声管空间后，亦会造成原有的声场畸变，也会使测量结果不准确。本专利技术提出的修正方法可以解决由于声场刚性条件不满足，以及矢量水听器尺寸过大带来的测量误差，从而提高驻波管矢量水听器低频校准精度，也可为驻波管的其它低频测量应用提供参考。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种为了提高校准结果的准确度在常规驻波管中校准矢量水听器灵敏度时对其低频校准结果进行修正的方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种驻波管矢量水听器低频校准修正方法，具体包括如下步骤：(1)计算弹性声管波导中矢量声场解析解：开始测量，获取测量数据后，将数据带入刚性壁管声场灵敏度校准公式进行计算；(2)进行第一次修正计算：利用弹性壁管声场与刚性壁管声场相比对，得到第一修正项，将第一修正项与步骤(1)中得到的结果相加补偿，得到考虑声管弹性条件下灵敏度校准结果；(3)根据实际情况询问是否修正，若修正，进行第二次修正计算：利用无矢量水听器时声场相比对，得到第二修正项，将第二修正项与步骤(2)中得到的考虑声管弹性条件下灵敏度校准结果相加补偿，得到综合考虑声管弹性和矢量水听器尺寸条件下的灵敏度低频校准结果，最后输出该结果；(4)若不修正，直接输出步骤(2)中得到的结果。所述的步骤(2)的第一次修正计算具体包括：求解在柱坐标系下截面均匀有限长弹性声管，在管端以管轴为中心轴各向对称激励时，管内声场矢量形式解，然后利用管壁弹性边界条件确定特征值kr和kz，计算出无矢量水听器的弹性圆管波导中矢量声场解析解，将其与理想刚性声管的理论解相比对作为第一修正项。所述的步骤(3)的第二次修正计算具体包括：将矢量水听器放入弹性声管后，求解声场的解析解,再对矢量水听器放入声管后带来的弹性声管波导中声场的畸变规律进行数值计算，通过与矢量水听器未放入声管前的弹性声管波导中的声场分析比对，得出声场第二修正项。所述的校准方法具体包括：得到所述的第一修正项使用声管弹性振动引起的管内声场声辐射修正方法；得到所述的第二修正项使用所述的被测物引入的声管平面波场的畸变修正方法。本专利技术的优点是：1.测量精度高，可以在矢量水听器低频灵敏度校准过程中计及声管弹性参数影响，从而使测量精度得以提高；2.测量方法优化，可以在矢量水听器低频灵敏度校准过程中计及水听器几何尺寸引起的声场畸变影响，从而使测量方法得以优化，并可以对驻波管矢量水听器灵敏度校准的适用范围给出科学规划。附图说明图1为本专利技术的测试方法流程图；图2为充水圆柱管的示意图；图3为充水圆柱管基本参数；图4为充水圆柱管中的频散曲线；图5为驻波管放入矢量水听器后示意图。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：本专利技术的目的在于提供一种在常规驻波管中校准矢量水听器灵敏度时，对其低频校准结果进行修正的方法，以提高校准结果的准确度。本专利技术的测试方法包括：驻波管矢量水听器灵敏度的低频校准，获取测量数据，将数据带入刚性壁管声场灵敏度校准公式计算，将弹性壁管声场与刚性壁管声场相比对，得到第一修正项，相加补偿得到考虑声管弹性条件下灵敏度校准结果，根据实际测试情况询问是否继续修正，若是修正，将无矢量水听器时声场相比对，得到第二修正项，与无矢量水听器时声场相比对的结果相加补偿，得到综合考虑声管弹性和矢量水听器尺寸条件下的灵敏度低频校准结果，输出结果。若不修正，直接输出结果具体步骤如下：首先，利用驻波管矢量水听器灵敏度的低频校准，开始测量，获取测量数据后，将数据带入刚性壁管声场灵敏度校准公式计算；然后进行第一次修正计算，利用弹性壁管声场与刚性壁管声场相比对，得到第一修正项，将第一修正项与将数据带入刚性壁管胜场灵敏度校准公示计算的结果相加补偿，得到考虑声管弹性条件下灵敏度校准结果后，询问是否继续修正，若续修正，就将进行第二次修正计算，利用有无矢量水听器时声场相比对，得到第二修正项，将第二修正项与6相加补偿，得到综合考虑声管弹性和矢量水听器尺寸条件下的灵敏度低频校准结果，最后输出结果；如果不修正了，直接输出结果。本专利技术的目的是这样实现的：第一步，首先，将声管假设为有限长、管壁满足弹性条件、且截面均匀，管的一端放发射器激发振动，振源激发以管轴为中心轴各向对称，然后求解其柱坐标系下声场矢量形式解，再利用管壁弹性边界条件确定特征值kr和kz，从而计算出无矢量水听器的弹性圆管波导中矢量声场解析解，将其与理想刚性声管的理论解相比对作为修正项之一；第二步，考虑将矢量水听器放入弹性声管后，求解声场的解析解,再对矢量水听器放入声管后带来的弹性声管波导中声场的畸变规律进行数值计算，通过与矢量水听器未放入声管前的弹性声管波导中的声场分析比对，得出声场修正项之二；最后，根据实际测试情况，带入修正项计算最终的矢量水听器灵敏度低频校准结果。本专利技术的基本理论依据：驻波管矢量水听器校准低频修正方法，包括两个方面的内容：1.有限壁厚弹性声管声场修正原理如图2所示，水声声管的内径是b，外径是a，水的密度和波速分别为ρ1,Vf，λ,μ为Lame常数，管的密度和波速分别是是ρ2,VP,VS。P代表的是纵波波速，S代表的是横波波速。弹性管中引进位移标量势函数φ和矢量势函数在轴对称激励下，运动与θ无关，因此在θ方向的位移分量为零，因此矢量势函数只有θ方向不为零，即所以管中的波动方程可以用下面两个标量势函数表示：其中：径向和轴向位移分量为：法向和切向应力分量为：水中势函数满足的波动方程为：水中的径向和轴向位移分量为：水中的法向应力为：δrrf＝λ1Δ(1-6)其中：设在z方向声波简谐振动，则位移势函数可以表示为：将其分别代入到上述波动方程中，得到下面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种驻波管矢量水听器低频校准修正方法，具体包括如下步骤：(1)计算弹性声管波导中矢量声场解析解：开始测量，获取测量数据后，将数据带入刚性壁管声场灵敏度校准公式进行计算；(2)进行第一次修正计算：利用弹性壁管声场与刚性壁管声场相比对，得到第一修正项，将第一修正项与步骤(1)中得到的结果相加补偿，得到考虑声管弹性条件下灵敏度校准结果；(3)根据实际情况询问是否修正，若修正，进行第二次修正计算：利用无矢量水听器时声场相比对，得到第二修正项，将第二修正项与步骤(2)中得到的考虑声管弹性条件下灵敏度校准结果相加补偿，得到综合考虑声管弹性和矢量水听器尺寸条件下的灵敏度低频校准结果，最后输出该结果；(4)若不修正，直接输出步骤(2)中得到的结果。

【技术特征摘要】
1.一种驻波管矢量水听器低频校准修正方法，具体包括如下步骤：(1)计算弹性声管波导中矢量声场解析解：开始测量，获取测量数据后，将数据带入刚性壁管声场灵敏度校准公式进行计算；(2)进行第一次修正计算：利用弹性壁管声场与刚性壁管声场相比对，得到第一修正项，将第一修正项与步骤(1)中得到的结果相加补偿，得到考虑声管弹性条件下灵敏度校准结果；(3)根据实际情况询问是否修正，若修正，进行第二次修正计算：利用无矢量水听器时声场相比对，得到第二修正项，将第二修正项与步骤(2)中得到的考虑声管弹性条件下灵敏度校准结果相加补偿，得到综合考虑声管弹性和矢量水听器尺寸条件下的灵敏度低频校准结果，最后输出该结果；(4)若不修正，直接输出步骤(2)中得到的结果。2.根据权利要求1所述的一种驻波管矢量水听器低频校准修正方法，所述的步骤(2)的第一次修正计算具体包括：求解在柱坐标系...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洪娟，张虎，张强，王文芝，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23