一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法技术

本发明专利技术公开了一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，该方法涉及水声测量领域，主要用于同振式矢量水听器驻波管低频绝对校准。本方法将标准加速度计刚性固定在同振式矢量水听器的被测通道表面，让标准加速度计与同振式矢量水听器在水下声波作用下共同振动，通过标准加速度计测量当前同振式矢量水听器被测通道的加速度，进而得到同振式矢量水听器矢量参数的灵敏度。由于标准加速度计校准的误差远小于同振式矢量水听器测量的误差，因此该方法是一种绝对校准方法。本发明专利技术能够提高同振式矢量水听器矢量参数的测量精度，降低测量不确定度，弥补当前驻波管比较法测量的不足。

Absolute Calibration Method of Cooscillating Vector Hydrophone Based on Accelerometer

The invention discloses an absolute calibration method of co-oscillating vector hydrophone based on accelerometer, which relates to the field of underwater acoustic measurement and is mainly used for low frequency absolute calibration of co-oscillating vector hydrophone standing wave tube. This method fixes the standard accelerometer rigidly on the surface of the measured channel of the co-vibrating vector hydrophone, makes the standard accelerometer and the co-vibrating vector hydrophone vibrate together under the action of underwater acoustic wave. The acceleration of the measured channel of the co-vibrating vector hydrophone is measured by the standard accelerometer, and then the sensitivity of the vector parameters of the co-vibrating vector hydrophone is obtained. Because the calibration error of standard accelerometer is much smaller than that of the same vibration vector hydrophone, this method is an absolute calibration method. The invention can improve the measurement accuracy of the vector parameters of the co-oscillating vector hydrophone, reduce the measurement uncertainty, and make up for the deficiency of the current standing wave tube comparative method.

【技术实现步骤摘要】
一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法
本专利技术涉及水声测量领域，属于同振式矢量水听器灵敏度测量领域，主要是一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法。
技术介绍
矢量水听器可以共点、同步测量声场中某点处的声压和声压梯度(或质点振速、质点加速度)等水下声场中的标量和矢量信息，增加了信息种类和数量，拓展了后置信号处理空间，大大提高了水声测量技术的检测能力，在水下目标定位、辐射噪声测量、海洋低频信号检测、海底沉积层特性调查、水雷声引信、声纳浮标以及区域警戒等方面有着广阔的应用前景。同振式矢量水听器是当前应用比较广泛、技术较为成熟的一种矢量水听器。它的平均密度与所处媒质密度接近相等，在有声波作用下，其振动幅度和相位与介质未放入同振式矢量水听器前质点的振动幅度和相位相同，通过球体内部的矢量传感器就可以获取当前声场中介质质点的矢量信息。同振式矢量水听器具有体积小、质量轻、分辨力好，灵敏度高等特点，特别是在低频其指向性良好，因此特别适用于声纳设备以及海洋噪声测量。目前，同振式矢量水听器的低频校准通常在驻波管中进行，主要的测量方法有标准水听器比较法和加速度计绝对法。在标准水听器比较法中，利用已经校准过的标准水听器测量驻波管中某一深度处的声压值，利用该声压值推算同振式矢量水听器声中心处的声压梯度、质点振速和加速度，完成该同振式矢量水听器声压灵敏度和矢量通道灵敏度的校准。这种方法虽然原理简单，易于操作，但是由于在测量过程中引入了标准水听器，导致了最终测量结果的不确定度较高。在驻波管绝对法校准中，通常需要将标准加速度计固定在驻波管底部的发射换能器或振动台上，通过测量发射换能器或振动台表面的加速度推算驻波管中不同深度的声压分布，进而得到同振式矢量水听器声压灵敏度和矢量灵敏度。由于标准加速度计灵敏度不确定度非常低(近似忽略不计)，因此这种方法可以认为是一种绝对校准方法。但是，这种方法在频率较高时，通过换能器或振动台推算驻波管中声场的误差较大，不能够满足同振式矢量水听器绝对校准的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，可以在驻波管腔体中实现同振式矢量水听器的低频绝对校准，降低同振式矢量水听器驻波管低频校准的测量不确定度。本专利技术的目的是通过如下技术方案来完成的。一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，包括如下步骤：1)、在驻波管中形成驻波声场，即在水平面为均匀的声场，同一深度处各点的声压相等，不形成声压梯度，质点速度和加速度为0；而在垂直方向声压的分布为正弦分布，声场满足p＝sinkd，p为声压，k为波数，d为入水深度；仅仅在垂直方向形成声压梯度，水下质点的振速和加速度只沿着垂直放线分布；2)、测量时，将灵敏度已知的标准加速度计刚性固定在同振式矢量水听器被测通道的表面，使两者在垂直方向的声压梯度作用下共同振动；利用已知灵敏度的标准加速度计直接测量同振式矢量水听器在水下的质点加速度，进而得到同振式矢量水听器的矢量参数灵敏度。驻波管中只在垂直方向存在声压梯度，需要保证同振式矢量水听器的声中心、被测矢量通道以及标准加速度计的中心在同一条直线上，并且垂直向下，整个系统不受到来自其他方向声压梯度的干扰。所述的标准加速度计和同振式矢量水听器构成的系统通过弹性材料悬挂在圆环形校准装置中，保证同振式矢量水听器在工作时处于一个悬浮的状态；同时，为了保证标准加速度计不影响同振式矢量水听器在水下自由悬浮的状态，标准加速度计的质量不应大于同振式矢量水听器质量的5‰。为标准加速度计配备了信号调理与放大设备以及发射换能器，底部发射换能器的低频发射响应要足够高，用以在驻波管中产生满足测试信噪比要求的单频连续信号，并对加速度计输出的信号进行了信号调理和滤波放大，保证在低频条件下，标准加速度计有足够高的响应。本专利技术的有益效果为：本专利技术将加速度计直接刚性固定在同振式矢量水听器的表面，令其与同振式矢量水听器共同振动，能够直接测得同振式矢量水听器的灵敏度。这种方法受驻波管中声场分布偏差的影响较小，并且具有较低的测量不确定度，是一种绝对校准方法，能够弥补当前测量方法的不足。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。附图标记说明：悬挂装置1，驻波管2，同振式矢量水听器3，标准加速度计4.具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做详细的介绍：本专利技术利用已知灵敏度的标准加速度计可以直接测量同振式矢量水听器在水下的质点加速度，实现同振式矢量水听器矢量通道灵敏度的绝对校准，弥补当前驻波管比较法校准同振式矢量水听器的不足，进一步提升测量精度；利用标准加速度计可以实现同振式矢量水听器水声声压、声压梯度、质点振速、质点加速度等矢量参数灵敏度的测量。本专利技术公开了一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，需要在驻波管2中形成驻波声场，即在水平面为均匀的声场，同一深度处各点的声压相等，不形成声压梯度，质点速度和加速度为0；而在垂直方向声压的分布为正弦分布，声场满足p＝sinkd，p为声压，k为波数，d为入水深度；仅仅在垂直方向形成声压梯度，水下质点的振速和加速度只沿着垂直放线分布；为了能够实现同振式矢量水听器的绝对校准，测量时需要将灵敏度已知的标准加速度计4刚性固定在同振式矢量水听器3(被测矢量水听器)被测通道的表面，保证在声波的作用下，使同振式矢量水听器与标准加速度计在垂直方向的声压梯度作用下共同振动。由于驻波管中只在垂直方向存在声压梯度，需要保证同振式矢量水听器的声中心、被测矢量通道以及标准加速度计的中心在同一条直线上，并且垂直向下，整个系统不受到来自其他方向声压梯度的干扰。本专利技术利用标准加速度计直接得到同振式矢量水听器被测矢量通道的加速度，不需要再根据管中声场的分布以及波动方程的关系获得同振式矢量水听器的矢量通道灵敏度；标准加速度计的校准误差远远小于标准水听器的校准误差，因此利用标准加速度计测量同振式矢量水听器的矢量通道灵敏度可以大大提升测量精度。本专利技术中，由标准加速度计和同振式矢量水听器构成的系统需要利用橡皮筋、弹簧等弹性材料悬挂装置1在圆环形校准装置中，保证同振式矢量水听器在工作时处于一个悬浮的状态。同时，为了保证标准加速度计不影响同振式矢量水听器在水下自由悬浮的状态，标准加速度计的质量不应大于同振式矢量水听器质量的5‰；为标准加速度计配备了特定的信号调理与放大设备以及发射换能器。由于标准加速度计较小，其灵敏度通常较低，底部换能器的低频发射响应要足够高，用以在驻波管中产生满足测试信噪比要求的单频连续信号，并对加速度计输出的信号进行了信号调理和滤波放大，保证在低频条件下，标准加速度计有足够高的响应。为了解决同振式矢量水听器低频绝对校准的问题，需要在驻波管中对同振式矢量水听器的矢量通道灵敏度进行校准。为此，本专利技术利用标准加速度计实现了同振式矢量水听器的绝对校准。在驻波管中，声压水平方向上呈均匀分布，其声压梯度、质点振速和质点加速度都为0，而在垂直方向上，其声场分布满足：p＝p0sinkd(1)其中k为波数，d为入水深度。根据式(1)可以得到声压梯度质点振速v和加速度a的表达式：通过分析可知，在驻波管同一深度的水平方向上每一点处的声压相等，声压梯度、质点振速和质点加速度都为0，因此矢量参数不存本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：包括如下步骤：1)、在驻波管中形成驻波声场，即在水平面为均匀的声场，同一深度处各点的声压相等，不形成声压梯度，质点速度和加速度为0；而在垂直方向声压的分布为正弦分布，声场满足p＝sinkd，p为声压，k为波数，d为入水深度；仅仅在垂直方向形成声压梯度，水下质点的振速和加速度只沿着垂直放线分布；2)、测量时，将灵敏度已知的标准加速度计刚性固定在同振式矢量水听器被测通道的表面，使两者在垂直方向的声压梯度作用下共同振动；利用已知灵敏度的标准加速度计直接测量同振式矢量水听器在水下的质点加速度，进而得到同振式矢量水听器的矢量参数灵敏度。

【技术特征摘要】
1.一种基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：包括如下步骤：1)、在驻波管中形成驻波声场，即在水平面为均匀的声场，同一深度处各点的声压相等，不形成声压梯度，质点速度和加速度为0；而在垂直方向声压的分布为正弦分布，声场满足p＝sinkd，p为声压，k为波数，d为入水深度；仅仅在垂直方向形成声压梯度，水下质点的振速和加速度只沿着垂直放线分布；2)、测量时，将灵敏度已知的标准加速度计刚性固定在同振式矢量水听器被测通道的表面，使两者在垂直方向的声压梯度作用下共同振动；利用已知灵敏度的标准加速度计直接测量同振式矢量水听器在水下的质点加速度，进而得到同振式矢量水听器的矢量参数灵敏度。2.根据权利要求1所述的基于加速度计的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：驻波管中只在垂直方向存在声压梯度，需要保证同振式矢量水听器的声中心、被测矢...

【专利技术属性】
技术研发人员：费腾，贾广慧，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33