一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法与系统，该校准方法涉及矢量水听器校准领域，主要用于同振式矢量水听器的精确校准。本发明专利技术方法通过对驻波管内声场进行分析，建立驻波管中水质点振速在垂直方向上的分布函数，并能够得到任意深度处声场中质点振速关系。采用激光测振技术，得到驻波管表面边界法相方向的质点振速，并以此推导出驻波管中任意深度处的质点振速。由于激光测振系统可以直接进行振速测量，因此，该方法不需要引入标准水听器，消除了在声压和矢量参数之间转换所引起的误差，并将测量的偏差进一步降低。这种方法可以应用于同振式矢量水听器的精确校准，弥补当前矢量水听器校准方法的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法与系统
本专利技术涉及水声测量领域，属于矢量水听器灵敏度测量领域，主要是一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法与系统。
技术介绍
在水声测量与检测中，矢量水听器不仅能够测量声场中的声压信息，而且还能同时、共点够测量质点速度、质点加速度等矢量信息，进一步增加了获取水下信号的种类和数量，拓展了后置信号处理的空间。同时，在低频测量领域，由于此时声波波长较长，若要形成指向性，通常需要构建庞大的阵列系统。与传统水听器相比，由于矢量水听器本身具有“8”字形指向性，并且该特性是不随频率的变化而变化的，这使得它在水声低频测量领域具有较为明显的优势。为了保证矢量水听器测量水下参数的准确可靠，在矢量水听器使用前都需要对其进行校准。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，利用该声压值并结合声压场中的声场分布推算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矢量参数灵敏度的校准。这种方法的优点就是原理简单，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。同时，在该方法中需要将测量得到的水声声压转换到声压梯度，对于不同的驻波管，其内部的驻波声场也不相同，因此会导致在转换过程中出现误差。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。
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，而提供一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法与系统，可以在驻波管中实现同振式矢量水听器的低频绝对校准，在不破坏驻波管声场条件的情况下，直接得到同振式矢量水听器的矢量参数灵敏度，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。本专利技术提供了一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法，包括如下步骤：1)、将同振式矢量水听器通过橡皮筋或其他弹性材料悬挂在定位机构上，保证同振式矢量水听器各向受力均匀，并且能够在水下连同水中质点共同振动，橡皮筋的谐振频率应远离矢量水听器的测量频率范围，并确保定位机构对声场产生较小的影响；2)、定位机构与同振式矢量水听器一同放置在驻波管水下一定深度处，被测矢量通道与驻波管轴向方向相同，同振式矢量水听器的声中心入水深度为h0；3)、控制函数发生器产生测量所需要的信号，该信号通过功率放大器进行功率放大后，激励驻波管底部的发射换能器在驻波管中产生测量所需要的声场；4)、根据驻波管的材料和结构特性，计算该驻波管中不同频率下的相速度c；5)、利用激光测振系统，测量驻波管中液体表面的振速，根据驻波管中的垂直声场分布规律得到驻波管中任意深度处的水质点振速；6)利用步骤4)和步骤5)中得到的参数，计算得到同振式矢量水听器的矢量参数灵敏度。更进一步的，所述的同振式矢量水听器被测通道的方向应沿垂直方向，保证与驻波管中的驻波方向相同，在驻波管中液体表面，其法相质点振速与驻波管中驻波方向相同。更进一步的，所述的驻波管中的任意深度h(0<h<L)振速沿垂直于驻波管的方向分布满足uh＝u0coskh，其中u0为常数，k为波数，k＝ω/c，ω为角频率，c为垂直于驻波管方向的水中声波相速度，L为驻波管中液体的深度。当声波由水媒质向空气媒质传播时，在水与空气交接处，质点振速法相速度是入射波法相振速的2倍，因此，在h＝0时，uh＝0＝2u0。管中速度分布可以表示为：uh＝u0coskh(0＜h＜L)(1)uh＝2u0(h＝0)更进一步的，由于低频测量频率较低，管中相速度无法通过脉冲等方法直接测量。可通过公式计算的方法获得不同频率下驻波管中的相速度c。更进一步的，本专利技术利用利用激光测振系统测量驻波管中液体表面的法相振速u′，由于驻波管中振速的水平分布式存在偏差的，因此为了准确得到水面表面的振速，需要进行n次驻波管表面振速的测量，得到n个法相振速u′1，u′2，…u′n，计算n个水面法相振速的平均值，得到驻波管水面的法相速度u′0：驻波管中水质点振速满足公式(1)中所述的分布规律，得到：u0＝u0'/2(3)将u0代入声场分布中，直接得到同振式矢量水听器(1)的振速灵敏度：Mu＝2U0/u0'coskh0(4)该灵敏度为通过水面质点振速直接得到，没有通过中间参数转换。并且激光测振测量水面质点振速是非常准确的，因此，通过这种方法得到的同振式矢量水听器灵敏度具有较高的精度。本专利技术同时提供了一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准系统，该系统主要包括函数发生器、线性功率放大器、驻波管、发射换能器、激光测振系统、滤波器、前置放大器、电子开关、数字示波器、同振式矢量水听器和计算机，其中，同振式矢量水听器通过弹性材料悬挂在定位机构上并与电子开关相连接，定位机构与同振式矢量水听器一同放置在驻波管水下一定深度处，被测矢量通道与驻波管轴向方向相同；函数发生器通过线性功率放大器与设置在驻波管底部的发射换能器相连接，用于产生测量所需要的声场；激光测振系统用于测量驻波管中液体表面的振速并与电子开关相连接。需要说明的是：获得驻波管表面振速的仪器和方法不仅仅局限于激光测振技术，其他任何形式获取水面振速的方法都在本专利要求保护范围之内。本专利技术的有益效果为：通过测量驻波管中水面与空气边界表面处的质点振速，从而推算出声压场中任意深度矢量水听器声中心的质点振速，实现矢量水听器的低频校准。由于该方法使用了激光测振的方法，在测量过程中没有引入标准水听器，因此这种方法是一种绝对校准方法，其测量不确定度相对较低；同时，在测量过程中所使用的激光不会对声压场中的声场分布产生任何影响，因此，这种方法能够减低干扰，具有更高的精度。a)通过水面边界测振技术可以较为精确地获得驻波管表面的质点振速，并推算出驻波管中任意深度处水中质点的振速，从而实现矢量水听器矢量参数的精确校准；b)通过激光测振技术，实现驻波管中声场的精确测量，并且不对驻波管中的声场、换能器和同振式矢量的工作产生影响，进一步提升了同振式矢量水听器的测量精度。附图说明图1为激光测振系统测量驻波管水面质点振速示意图。图2为同振式矢量水听器校准系统示意图。具体实施方式下面结合具体测量内容对本专利技术的具体实施方式进行详细阐述，这些具体实施方式若存在示例性的内容，不应解释成对本专利技术的限制。本专利技术提供了一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：校准包括如下步骤：/n1)、将同振式矢量水听器通过弹性材料悬挂在定位机构上，保证同振式矢量水听器各向受力均匀，并且能够在水下连同水中质点共同振动，弹性材料的谐振频率应远离矢量水听器的测量频率范围；/n2)、定位机构与同振式矢量水听器一同放置在驻波管水下一定深度处，被测矢量通道与驻波管轴向方向相同，同振式矢量水听器的声中心入水深度为h

【技术特征摘要】
1.一种基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：校准包括如下步骤：
1)、将同振式矢量水听器通过弹性材料悬挂在定位机构上，保证同振式矢量水听器各向受力均匀，并且能够在水下连同水中质点共同振动，弹性材料的谐振频率应远离矢量水听器的测量频率范围；
2)、定位机构与同振式矢量水听器一同放置在驻波管水下一定深度处，被测矢量通道与驻波管轴向方向相同，同振式矢量水听器的声中心入水深度为h0；
3)、控制函数发生器产生测量所需要的信号，该信号通过功率放大器进行功率放大后，激励驻波管底部的发射换能器在驻波管中产生测量所需要的声场；
4)、根据驻波管的材料和结构特性，计算该驻波管中不同频率下的相速度c；
5)、利用激光测振系统，测量驻波管中液体表面的振速，根据驻波管中的垂直声场分布规律得到驻波管中任意深度处的水质点振速；
6)利用步骤4)和步骤5)中得到的参数，计算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所述的基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：所述的同振式矢量水听器被测通道的方向应沿垂直方向，保证与驻波管中的驻波方向相同，在驻波管中液体表面，其法相质点振速与驻波管中驻波方向相同。


3.根据权利要求1所述的基于水面边界测振技术的同振式矢量水听器绝对校准方法，其特征在于：所述的驻波管中的任意深度h(0<h<L)振速沿垂直于驻波管的...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾广慧，陈毅，费腾，王世全，
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