【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及计量测试领域，具体属于声学(水声)领域，主要是一种发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准装置及方法。
技术介绍
1、水声材料是在船舶工程和水声工程水下声系统中广泛应用的、具有声学和振动特性的材料和构件。通常，对水声材料的性能技术要求主要集中在声学特性参数上，如特性阻抗、声压反射系数(回声降低)、声压透射系数(插入损失)和吸声系数等。目前，随着船舶减振降噪技术和共形阵、舷侧阵等新型声纳技术的发展，对水声材料的振动特性参数的关注度越来越高，提出了减振、去耦等技术要求，降低船舶振动噪声辐射和对声纳平台的振动干扰。所以，声学覆盖层在安静型潜艇上的应用具有重要意义。潜艇声学覆盖层根据主要功能的不同，可分为消声瓦、去耦瓦和多功能瓦，分别用于吸收敌方主动声纳的探测声波、屏蔽本艇噪声向海水中辐射，多功能瓦兼顾吸声和去耦两种功能。声学覆盖层一般为平面多层结构，典型的消声瓦为“水层(入射声)-消声瓦-钢板-水层(或空气)”模型构造，隔声去耦瓦为“空气-钢板(振动)-隔声去耦瓦-水层”模型构造。潜艇声学覆盖层多为橡胶材料制造，内部采用空腔结构，在一定水深压力下工作时其声学和振动性能有较大变化，所以对水声材料样品声振特性参数的测量必须在一定静水压力下进行。
2、目前，一般利用水声声管设备开展在一定静水压条件的水声材料样品声学性能测量，声管内可产生理想的平面波声场，所需的样品尺寸不大，边界条件简单，标准样品的测量结果与理论计算结果有非常好的吻合，操作简便，测量准确。从测量原理和声管结构上区分，声管测量装置包括脉冲管、驻波
3、现有技术中，通过对传统驻波管的结构改进和样品振速的测量，提出了水声材料声振特性振速传递系数的测量方法：专利“一种水声材料振速传递系数的低频声管测量方法”，专利号为202210799160.1；专利为“一种水声材料去耦特性参数的行波管测量装置与方法”，专利号为201910388486.3，通过在行波管中对有无去耦材料样品覆盖时的标准钢标振速和辐射声压的测量。上述两种方法解决了消声瓦和去耦瓦等水声材料样品声振特性参数的基本测量问题，但这两种方法都基于双水听器传递函数法测得样品声波入射面的声压反射系数，然后计算振速。上述两种方法存在水听器一致性需要校准，水听器组需要间隔一定的距离，声管需要一定的长度等问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准装置及方法。
2、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发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准装置，包括声管和发射换能器，发射换能器安装在声管中，在发射换能器的振动活塞和辐射面之间集成有声压传感器和加速度传感器，一方面能用于声管内振动活塞驱动，另一方面能用于辐射面上的声压和振速检测。
3、所述振动活塞采用稀土超磁致伸缩振动结构，实现平面活塞模式振动，利用稀土材料低声速、高机电耦合系数的特点，实现小体积换能器的低频宽带工作；采用永磁偏磁场使稀土振子实现大动态范围线性输出。
4、所述发射换能器的尾质量块通过隔振弹簧和声管的底部法兰固定；被测样品制成与声管内壁间隙配合的圆柱体，安装在样品支架上；加速度计安装在样品刚性背衬上；在发射换能器的辐射面和样品刚性背衬之间充满蒸馏水。
5、本专利技术同时提供了一种发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准方法，包括以下步骤：
6、1)将发射换能器安装到声管中，发射换能器的尾质量块通过隔振弹簧和声管的底部法兰固定；
7、2)发射换能器的振动活塞和辐射面之间集成有声压传感器和加速度传感器；
8、3)将被测样品制成与声管内壁间隙配合的圆柱体，安装到样品支架上；
9、4)将加速度计安装到样品刚性背衬上；
10、5)在发射换能器的辐射面和样品刚性背衬之间充满蒸馏水；
11、6)闭合声管的中部法兰和顶部法兰；
12、7)将发射换能器电缆、被测样品的样品刚性背衬上的加速度计电缆连接到测量装置上；
13、8)运行测量装置软件后进入声压-振速校准和样品测量阶段，声压-振速灵敏度在线校准平面波模型为：声管中介质具有多层声学结构形式，由发射换能器上的辐射面、蒸馏水构成的水层、被测样品和样品刚性背衬组成，水层高度为h0，水中声速和密度分别为ρw、cw,辐射面上的水层声压和振速分别为p0和v0；被测样品在水面上的声压和振速分别为p1和v1；被测样品和样品刚性背衬界面的声压和振速分别为p2和v2；测得的集成在发射换能器上的声压和加速度传感器信号、样品刚性背衬上的加速度计信号，经调理放大后输入由计算机控制下的动态信号分析系统采集，经校准处理得到发射换能器的辐射面上的准确的声压p0和振速v0，计算得到样品层的输入阻抗，最终得到被测样品的去耦系数、声压反射系数和吸声系数。
14、更进一步地，假设测量样品为水层，声压-振速灵敏度在线校准平面波模型得到简化，已知发射换能器的辐射面和样品刚性背衬之间水层的特性阻抗参数、厚度，以及样品刚性背衬的特性阻抗参数和厚度，样品刚性背衬的负载为空气，水层上下表面的输入阻抗和输出阻抗、振速之间建立了理论上已知的关系。
15、更进一步地，通过已经校准的加速度计测量样品刚性背衬上的振动加速度值，计算出质点振动速度；根据水层上下表面的输入阻抗和输出阻抗、振速之间建立了理论上已知的关系计算出发射换能器的辐射面上的质点振速和声压值，和集成的声压传感器和加速度传感器的测量值进行比较，其振速和声压灵敏度即可得到校准；通过在一定的静水压条件下频率点逐次校准，实现整个声管测量频段、工作静水压范围内的发射与传感一体化声管换能器及声压-振速灵敏度在线校准。
16、本专利技术的有益效果为：本专利技术在实现了一种水声材料样品吸声系数在管中低频测量手段，通过低频管的独特设计，低频活塞式激励声源和声压、加速度传感器的集成，电子仪器配置和测量专用软件编制，建立了水声材料声管测量装置，避免了双水听器传递函数法测量时双水听器对管中声场的检测和传递函数的计算，很好地解决了双水听器灵敏度一致性、驻波声场的极值点等因素引起较大本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准装置，其特征在于：包括声管和发射换能器，发射换能器安装在声管中，在发射换能器的振动活塞和辐射面之间集成有声压传感器和加速度传感器，一方面能用于声管内振动活塞驱动，另一方面能用于辐射面上的声压和振速检测。
2.根据权利要求1所述的发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准装置，其特征在于：所述振动活塞采用稀土超磁致伸缩振动结构，实现平面活塞模式振动，利用稀土材料低声速、高机电耦合系数的特点，实现小体积换能器的低频宽带工作；采用永磁偏磁场使稀土振子实现大动态范围线性输出。
3.根据权利要求2所述的发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准装置，其特征在于：所述发射换能器的尾质量块通过隔振弹簧和声管的底部法兰固定；被测样品制成与声管内壁间隙配合的圆柱体，安装在样品支架上；加速度计安装在样品刚性背衬上；在发射换能器的辐射面和样品刚性背衬之间充满蒸馏水。
4.一种发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准方法，采用如权利要求1-3任一项所述发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准装置
5.根据权利要求4所述的发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准方法，其特征在于：假设测量样品为水层，声压-振速灵敏度在线校准平面波模型得到简化，已知发射换能器的辐射面和样品刚性背衬之间水层的特性阻抗参数、厚度，以及样品刚性背衬的特性阻抗参数和厚度，样品刚性背衬的负载为空气，水层上下表面的输入阻抗和输出阻抗、振速之间建立了理论上已知的关系。
6.根据权利要求5所述的发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准方法，其特征在于：通过已经校准的加速度计测量样品刚性背衬上的振动加速度值，计算出质点振动速度；根据水层上下表面的输入阻抗和输出阻抗、振速之间建立了理论上已知的关系计算出发射换能器的辐射面上的质点振速和声压值，和集成的声压传感器和加速度传感器的测量值进行比较，其振速和声压灵敏度即可得到校准；通过在一定的静水压条件下频率点逐次校准，实现整个声管测量频段、工作静水压范围内的发射与传感一体化声管换能器及声压-振速灵敏度在线校准。
...【技术特征摘要】
1.一种发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准装置，其特征在于：包括声管和发射换能器，发射换能器安装在声管中，在发射换能器的振动活塞和辐射面之间集成有声压传感器和加速度传感器，一方面能用于声管内振动活塞驱动，另一方面能用于辐射面上的声压和振速检测。
2.根据权利要求1所述的发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准装置，其特征在于：所述振动活塞采用稀土超磁致伸缩振动结构，实现平面活塞模式振动，利用稀土材料低声速、高机电耦合系数的特点，实现小体积换能器的低频宽带工作；采用永磁偏磁场使稀土振子实现大动态范围线性输出。
3.根据权利要求2所述的发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准装置，其特征在于：所述发射换能器的尾质量块通过隔振弹簧和声管的底部法兰固定；被测样品制成与声管内壁间隙配合的圆柱体，安装在样品支架上；加速度计安装在样品刚性背衬上；在发射换能器的辐射面和样品刚性背衬之间充满蒸馏水。
4.一种发射与传感一体化声管换能器的声压-振速在线校准方法，采用如权利要求1-3任一项所述发...
【专利技术属性】
技术研发人员：李水，易燕，佟昊阳，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：
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