直線水聽器陣列幅度和相位一致性測量方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于水聲換能器領(lǐng)域，具體涉及直線水聽器陣列幅度和相位一致性測量方法。本發(fā)明包括將水聽器陣列機(jī)械固定在升降裝置上，升降裝置將水聽器陣列以固定間隔上下升降，將發(fā)射換能器吊放在距水聽器陣列一定距離處，距離滿足換能器和水聽器的遠(yuǎn)場距離，發(fā)射換能器吊放深度與水聽器陣列最上方水聽器深度相同；水聽器陣列和升降裝置為機(jī)械固定連接，在升降過程中，水聽器陣列始終保持垂直狀態(tài)，沒有水平方向的擺動(dòng)或移動(dòng)。本發(fā)明采用垂直方向移動(dòng)水聽器的方法，避免了傳統(tǒng)水聽器一致性測量時(shí)水平方向移動(dòng)水聽器或重新吊放水聽器引起的水平方向距離誤差引起的相位誤差。
【專利說明】
直線水聽器陣列幅度和相位一致性測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于水聲換能器領(lǐng)域，具體涉及直線水聽器陣列幅度和相位一致性測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水聽器的幅度和相位的不一致性指兩個(gè)或兩個(gè)以上水聽器在相同瞬時(shí)聲壓作用下，各個(gè)水聽器輸出的幅度和相位差值。在多個(gè)水聽器成陣應(yīng)用時(shí)，水聽器的相位一致性是關(guān)系到系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。水聽器幅度一致性校準(zhǔn)較易實(shí)現(xiàn)，但由于在校準(zhǔn)中換能器之問的距離和介質(zhì)聲速很難準(zhǔn)確確定，而距離和聲速對相位測量有較大的影響，因此對水聽器相位的精確校準(zhǔn)比較困難。
[0003]國內(nèi)外學(xué)者一直在對水聽器幅度和相位一致性校準(zhǔn)的進(jìn)行探索和研究。上世紀(jì)八十年代美國學(xué)者Van Buren等人提出了一種互易校準(zhǔn)方法，這種方法把發(fā)射換能器、互易換能器、接收換能器排成一條直線，消除距離和介質(zhì)聲速測量誤差，國內(nèi)學(xué)者王月兵也對這種測量方法進(jìn)行了探討(水聽器復(fù)數(shù)靈敏度校準(zhǔn)方法探討，聲學(xué)與電子工程)，但互易校準(zhǔn)方法對換能器的安裝精度要求較高，沒有完全消除距離對校準(zhǔn)結(jié)果的影響，并且測量中需要進(jìn)行三組換能器的安裝和四次轉(zhuǎn)移阻抗的測量，測量過程復(fù)雜。為了解決互易校準(zhǔn)方法無法保證距離精度的問題，徐平等人利用耦合腔得到均勻平面波的方法測量水聽器的相位一致性(水聽器相位低頻校準(zhǔn)管，專利號:200910153509.9;水聽器相位一致性測試裝置，專利號:201010034283.3)，這種方法需要設(shè)計(jì)加工剛性硬壁圓管，還需要考慮管壁共振對管內(nèi)聲場的干擾。Gary Hayman、王月兵、黃勇軍等人采用激光法分別檢測出振速信號和水聽器信號的幅值和相位(使用激光測振技術(shù)校準(zhǔn)水聽器靈敏度，聲學(xué)學(xué)報(bào))，通過計(jì)算得出水聽器的復(fù)數(shù)靈敏度，能得到很好的測量結(jié)果，但激光法測量需要復(fù)雜的激光測量設(shè)備。
[0004]水聽器之間存在幅度和相位的不一致，當(dāng)組陣使用時(shí)，水聽器的機(jī)械安裝位置誤差對不一致性也會(huì)帶來影響，特別是在頻率較高時(shí)對相位的影響更為嚴(yán)重。本發(fā)明針對現(xiàn)有測量方法對設(shè)備要求較高、且不能測量組陣之后的水聽器幅度和相位不一致性測量問題，提出了一種簡單易行且精度較高的測量方法，這種方法測量結(jié)果不僅包含水聽器本身的不一致，還包含了組陣后安裝誤差對一致性的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的是克服上述技術(shù)存在的不足，提供一種解決現(xiàn)有技術(shù)不能測量陣列中水聽器一致性的問題的直線水聽器陣列幅度和相位一致性測量方法。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]1、將水聽器陣列機(jī)械固定在升降裝置上，升降裝置可以將水聽器陣列以固定間隔上下升降。將發(fā)射換能器吊放在距水聽器陣列一定距離處，距離滿足換能器和水聽器的遠(yuǎn)場距離，發(fā)射換能器吊放深度與水聽器陣列最上方水聽器深度大致相同。水聽器陣列和升降裝置為機(jī)械固定連接，在升降過程中，水聽器陣列始終保持垂直狀態(tài)，沒有水平方向的擺動(dòng)或移動(dòng)。
[0008]2、將水聽器自上而下依次編號為1#、2#......。發(fā)射換能器發(fā)射一個(gè)頻率為F的單頻脈沖信號，1#水聽器接收信號，采集并保存信號，發(fā)射信號的時(shí)刻為信號采集的初始時(shí)刻;將水聽器陣列上升一定高度，上升距離為兩個(gè)水聽器的間隔距離，發(fā)射換能器再次發(fā)射相同單頻脈沖信號，2#水聽器水聽器接收信號，采集并保存信號；依次測量，直至最后一個(gè)水聽器接收測量完畢。這樣就得到N組測量的時(shí)間序列信號，N為水聽器的數(shù)量。
[0009]3、對于第一組信號，在接收到的脈沖信號中，截取達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的包含至少3個(gè)周期的波形信號，對此信號進(jìn)行傅里葉變換，得到幅頻特性和相頻特性曲線，讀取頻率為F時(shí)的幅度和相位值;其它組信號截取與第一組相同時(shí)間段的信號，并進(jìn)行相同處理，分別得到頻率為F時(shí)的幅度和相位值。
[0010]4、將得到的N個(gè)幅度值進(jìn)行歸一化處理，即得到水聽器陣列的幅度不一致性結(jié)果；將得到的N個(gè)相位值減去1#水聽器的相位值，即得到水聽器陣列以1#水聽器為參考的相位不一致性結(jié)果。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:
[0012]1、采用垂直方向移動(dòng)水聽器的方法，避免了傳統(tǒng)水聽器一致性測量時(shí)水平方向移動(dòng)水聽器或重新吊放水聽器引起的水平方向距離誤差引起的相位誤差；
[0013]2、可以同時(shí)測量一個(gè)線列陣中所有水聽器的相位和幅度一致性，測量效率較高；
[0014]3、采用水聽器組陣之后進(jìn)行一致性校準(zhǔn)，考慮的水聽器安裝時(shí)引起的不一致性因素，進(jìn)一步提高了不一致性的測量精度。
【附圖說明】
[0015]圖1實(shí)驗(yàn)布置示意圖；
[0016]圖2水聽器接收信號；
[0017]圖3接收信號傅里葉變換后的幅頻特性和相頻特性曲線；
[0018]圖4測量結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0020]本發(fā)明屬于水聲換能器領(lǐng)域，具體是對直線水聽器陣列的幅度和相位一致性的測量。本發(fā)明包括:將直線水聽器陣列垂直吊放在機(jī)械升降裝置上，水聽器自上而下依次編號為1#、2#......，1#水聽器與發(fā)射換能器基本在同一水深;發(fā)射換能器發(fā)射一個(gè)單頻脈沖信號，1#水聽器接收并保存信號，發(fā)射信號的時(shí)刻為信號采集的初始時(shí)刻;將水聽器陣列上升一定高度，上升距離為兩個(gè)水聽器的間隔距離，重復(fù)發(fā)射單頻脈沖信號，2#水聽器接收并保存信號，依次測量，直至最后一個(gè)水聽器接收測量完畢;對所有水聽器接收信號截取信號達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的至少包含3個(gè)周期的波形信號，然后進(jìn)行傅里葉變換，得到發(fā)射信道對應(yīng)頻率的幅度和相位值;將所有幅度值進(jìn)行歸一化處理，得到水聽器陣列的幅度不一致性結(jié)果，將所有相位值減去某一個(gè)水聽器的相位值，得到水聽器陣列以某水聽器為參考的相位不一致性結(jié)果。本發(fā)明的有益效果是:避免了傳統(tǒng)水聽器一致性測量時(shí)水平方向移動(dòng)水聽器或重新吊放水聽器引起的水平方向距離誤差引起的相位誤差；同時(shí)測量一個(gè)線列陣中所有水聽器的相位和幅度一致性，測量效率較高;采用水聽器組陣之后進(jìn)行一致性校準(zhǔn)，考慮了水聽器安裝時(shí)弓I起的不一致性因素，提高了測量精度。
[0021]如圖1所示為實(shí)驗(yàn)布置的示意圖，其中，I為機(jī)械升降裝置，2為水面，3為待測水聽器陣列，4為發(fā)射換能器。水聽器組成直線陣列，兩水聽器之間的間隔固定，將水聽器陣列機(jī)械固定在升降裝置上，升降裝置可以將水聽器陣列以固定間隔上下升降。如圖所示陣列中最上方的水聽器標(biāo)記為1#水聽器，從上至下依次為2#、3#......。將水聽器陣列的1#水聽器與發(fā)射換能器置于水下相同深度(一般情況下很難保證在同一深度，但這個(gè)因素對結(jié)果沒有影響，只要保證水聽器陣列在上升或下降過程中，升降的距離足夠精確即可)。水聽器陣列和升降裝置為機(jī)械固定連接，在升降過程中，水聽器陣列始終保持垂直狀態(tài)，沒有水平方向的擺動(dòng)或移動(dòng)。
[0022]測量時(shí)，發(fā)射換能器發(fā)射一個(gè)頻率為F單頻脈沖信號，這里取F= 35kHz，1#水聽器接收信號，采集并保存信號，可以發(fā)射信號的時(shí)刻為信號采集的初始時(shí)刻;將水聽器陣列上升一定高度，上升距離為兩個(gè)水聽器的間隔距離，發(fā)射換能器再次發(fā)射一個(gè)35kHz的單頻脈沖信號，2#水聽器水聽器接收信號，采集并保存信號；依次測量，直至將最后一個(gè)水聽器上升至于發(fā)射換能器在同一水深。這樣就得到N組測量的時(shí)間序列信號，N為水聽器的數(shù)量，這里取N=10。
[0023]對于第一組信號，在接收到的脈沖信號中，截取達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的一段信號，對此信號進(jìn)行傅里葉變換，得到幅頻特性和相頻特性曲線，讀取頻率為35kHz時(shí)的幅度和相位值;其它組信號截取與第一組相同時(shí)間段的信號，并進(jìn)行相同處理，分別得到頻率為35kHz時(shí)的幅度和相位值。如圖2所示為截取接收的脈沖信號中相同時(shí)間段的10組信號，圖3為1#水聽器的截取信號進(jìn)行傅里葉變換的結(jié)果，分別為幅頻特性和相頻特性曲線。
[0024]將得到的10個(gè)幅度值進(jìn)行歸一化處理，即得到水聽器陣列的幅度不一致性結(jié)果；將得到的10個(gè)相位值減去1#水聽器的相位值，即得到水聽器陣列以1#水聽器為參考的相位不一致性結(jié)果，結(jié)果如圖4所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.直線水聽器陣列幅度和相位一致性測量方法，其特征在于: (1)將水聽器陣列機(jī)械固定在升降裝置上，升降裝置將水聽器陣列以固定間隔上下升降，將發(fā)射換能器吊放在距水聽器陣列一定距離處，距離滿足換能器和水聽器的遠(yuǎn)場距離，發(fā)射換能器吊放深度與水聽器陣列最上方水聽器深度相同；水聽器陣列和升降裝置為機(jī)械固定連接，在升降過程中，水聽器陣列始終保持垂直狀態(tài)，沒有水平方向的擺動(dòng)或移動(dòng)； (2)將水聽器自上而下依次編號為1#、2#......N#.;發(fā)射換能器發(fā)射一個(gè)頻率為F的單頻脈沖信號，1#水聽器接收信號，采集并保存信號，發(fā)射信號的時(shí)刻為信號采集的初始時(shí)刻;將水聽器陣列上升一定高度，上升距離為兩個(gè)水聽器的間隔距離，發(fā)射換能器再次發(fā)射相同單頻脈沖信號，2#水聽器水聽器接收信號，采集并保存信號；依次測量，直至最后一個(gè)水聽器接收測量完畢;這樣就得到N組測量的時(shí)間序列信號，N為水聽器的數(shù)量； (3)對于第一組信號，在接收到的脈沖信號中，截取達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的包含至少3個(gè)周期的波形信號，對此信號進(jìn)行傅里葉變換，得到幅頻特性和相頻特性曲線，讀取頻率為F時(shí)的幅度和相位值;其它組信號截取與第一組相同時(shí)間段的信號，并進(jìn)行進(jìn)行傅里葉變換，得到幅頻特性和相頻特性曲線，分別得到頻率為F時(shí)的幅度和相位值； (4)將得到的N個(gè)幅度值進(jìn)行歸一化處理，即得到水聽器陣列的幅度不一致性結(jié)果;將得到的N個(gè)相位值減去1#水聽器的相位值，即得到水聽器陣列以1#水聽器為參考的相位不一致性結(jié)果。
【文檔編號】G01H3/00GK105973447SQ201610293189
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月5日
【發(fā)明人】陳文劍, 殷敬偉, 孫輝, 劉冰, 呂良浩, 郭嘉浩, 余德本, 尹爽
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)