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技术

本发明专利技术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,包括以下步骤，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；2)根据步骤1)的校准数据，按照一致性进行排序，并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；3)声管中注入蒸馏水，抽真空，消除水中气泡；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。本发明专利技术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。且节省校准时间。且节省校准时间。

【技术实现步骤摘要】
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

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[0001]本专利技术属于计量测试领域，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。

技术介绍
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[0002]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。
[0003]现有技术中的“水
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构件
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空气”分层模式的驻波管校准装置和模拟“水
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构件
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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
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构件
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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。
[0004]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
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构件
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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。
[0005]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，本申请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。

技术实现思路
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[0014]本专利技术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
技术介绍
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]本专利技术的技术解决方案是，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)释放静水压至常压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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，1)通过振动液柱法水听器校准方法，出具常温常压下水听器灵敏度相幅校准证书；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；3)声管中注入蒸馏水，抽真空，消除水中气泡；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；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；6)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；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；8)根据需要调节行波管水温和静水压，重复步骤5)～7)，直至...

【专利技术属性】
技术研发人员：易燕，李水，佟昊阳，
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：