陳新寧　王武華

(中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)，湛江 524022)

0　引言

隨著水聲通信及水聲測(cè)控設(shè)備的工作頻率逐漸向低頻頻域擴(kuò)展，建立水聲低頻(20Hz～2kHz)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，解決水聲測(cè)量設(shè)備(水聽(tīng)器、換能器)低頻段的量值傳遞問(wèn)題，是水聲計(jì)量工作的首要任務(wù)。目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量水聽(tīng)器低頻段的校準(zhǔn)方法有：密閉腔比較法、活塞發(fā)聲器法和振動(dòng)液柱法。密閉腔比較法要獲得較高的上限頻率應(yīng)采用置換比較法，但此法要求被校水聽(tīng)器與標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的幾何尺寸相近，這就限制了其使用范圍，且發(fā)射源的頻率也很難做得很低；活塞發(fā)聲器法的校準(zhǔn)頻段僅為1～50Hz，頻率范圍窄；振動(dòng)液柱法是通過(guò)振動(dòng)加速度的測(cè)量來(lái)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器聲壓靈敏度的方法，是適合于在低頻率下使用的絕對(duì)方法，是國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/J 3803—99推薦的水聽(tīng)器低頻校準(zhǔn)方法，采用振動(dòng)液柱法建立低頻水聲計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)是可行方案。

1　總體設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和測(cè)量，振動(dòng)液柱法校準(zhǔn)水聽(tīng)器的方案構(gòu)建是以計(jì)算機(jī)為中心的測(cè)量振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)幅值和回饋控制振動(dòng)的閉環(huán)系統(tǒng)(如圖1所示)，系統(tǒng)的核心控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)即為振動(dòng)液柱校準(zhǔn)控制儀，系統(tǒng)采用USB方式通信，并引入多通道高速數(shù)據(jù)采集，獨(dú)立水聽(tīng)器測(cè)量通道，振動(dòng)液柱校準(zhǔn)控制儀的集成構(gòu)建利于系統(tǒng)構(gòu)架的靈活性和處理信號(hào)方法的多樣性，方便各種測(cè)試需求。

圖1　低頻水聲計(jì)量校準(zhǔn)方案示意圖

2　振動(dòng)液柱法的聲壓靈敏度算法簡(jiǎn)化

振動(dòng)液柱法是屬于阻抗校準(zhǔn)法，即待校水聽(tīng)器的聲壓靈敏度Me=eoc/pa，是通過(guò)直接測(cè)量待校水聽(tīng)器開(kāi)路輸出電壓eoc和間接測(cè)量作用在水聽(tīng)器上的實(shí)加聲壓pa求得，pa利用介質(zhì)的聲阻抗和邊界條件以及聲源的參數(shù)求出。

此法要求充水開(kāi)口圓管的內(nèi)徑(2a)應(yīng)遠(yuǎn)小于水中聲波波長(zhǎng)l(即2a<

(1)

(2)

式中：ea為測(cè)量時(shí)加速度計(jì)的開(kāi)路輸出電壓，V；Sea為其電壓靈敏度，V·s2/m。

(3)

(4)

振動(dòng)液柱法是一種使用簡(jiǎn)便的低頻水聽(tīng)器絕對(duì)校準(zhǔn)方法，由于被校準(zhǔn)水聽(tīng)器工作在遠(yuǎn)離諧振頻率的低頻段，因此這里的聲壓靈敏度等同于自由場(chǎng)電壓靈敏度。

3　標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)是整個(gè)校準(zhǔn)方案的關(guān)鍵設(shè)備，要求具有重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、頻率成份單一，并具有推力大、失真小、臺(tái)面均勻度好等特性，采用氣囊作為空氣彈簧，彈性好，承載力強(qiáng)，雙磁路設(shè)計(jì)，三軸導(dǎo)向與直線軸承導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)裝置臺(tái)體部分包括以下幾部分組成：1)臺(tái)面連動(dòng)圈、2)空氣彈簧、3)磁芯連底盤(pán)、4)磁竄、5)勵(lì)磁線圈、6)消磁線圈、7)導(dǎo)向軸承、8)風(fēng)機(jī)、9)限位開(kāi)關(guān)?，F(xiàn)就臺(tái)面連動(dòng)圈、空氣彈簧設(shè)計(jì)思想介紹如下。

3.1　臺(tái)面連動(dòng)圈

本裝置將臺(tái)面和動(dòng)圈做成合體結(jié)構(gòu)(如圖2所示)。用鋁鎂合金澆鑄經(jīng)機(jī)加工以后保證幾何形狀對(duì)稱，并要求動(dòng)態(tài)平衡。使動(dòng)圈在振動(dòng)過(guò)程中不會(huì)因?yàn)橹匦钠贫a(chǎn)生慣性力矩，這樣可以減少臺(tái)面產(chǎn)生橫向振動(dòng)，以利提高波形質(zhì)量。

圖2　振動(dòng)臺(tái)體結(jié)構(gòu)圖

動(dòng)圈由兩組線圈組成，都用直徑為1.61mm的高強(qiáng)度漆包線繞制。因考慮到最大振幅為2cm，故取線圈總高度為101mm，均勻磁場(chǎng)內(nèi)高度為40mm，均勻磁場(chǎng)外高度為70mm。又因考慮到磁軛下部總漏磁比上部大，所以高度分配為下部30mm，上部40mm。線圈在繞制中用環(huán)氧樹(shù)脂澆固。動(dòng)圈連臺(tái)面總重量為3kg。

3.2　空氣彈簧

空氣彈簧是支撐活動(dòng)系統(tǒng)的部件，也是實(shí)現(xiàn)具有良好低頻振動(dòng)波形的關(guān)鍵之一。過(guò)去國(guó)外進(jìn)口的商用低頻振動(dòng)臺(tái)，其低頻波形失真大的主要原因，除功率放大器低頻性能差外，更主要的原因還是活動(dòng)系統(tǒng)的支撐元件所造成。

一般情況下，都是采用金屬?gòu)椈勺鲋卧?。振?dòng)臺(tái)的活動(dòng)系統(tǒng)如果采用金屬?gòu)椈勺鲋?，其缺點(diǎn)一是活動(dòng)系統(tǒng)的自振頻率不可能做得足夠低，這樣勢(shì)必使活動(dòng)系統(tǒng)的自振頻率落在工件頻率的范圍內(nèi)而造成在工作過(guò)程中使活動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生共振。共振除引起系統(tǒng)本身的動(dòng)平衡狀態(tài)遭到破壞外，還很容易激起高次諧波的產(chǎn)生。其次，由于校準(zhǔn)水聽(tīng)器的容器和液體較重，放置在臺(tái)面上后使活動(dòng)系統(tǒng)下沉過(guò)大而影響活動(dòng)系統(tǒng)的線性工作狀態(tài)。以上兩個(gè)原因都會(huì)造成臺(tái)面振動(dòng)波形的失真。

空氣彈簧系用橡膠壓制成一定幾何形狀的氣裹，內(nèi)充空氣，它與活動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的配合可實(shí)現(xiàn)比金屬?gòu)椈伤軐?shí)現(xiàn)的更低的自振頻率，更主要是因?yàn)橄鹉z本身的阻尼性能好，能起著隔離和吸收高次諧波的作用。

4　振動(dòng)液柱校準(zhǔn)控制儀的組成及工作原理

4.1　振動(dòng)液柱校準(zhǔn)控制儀的組成

振動(dòng)臺(tái)的低頻振動(dòng)對(duì)加速度計(jì)能夠產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)和水聽(tīng)器接受的信號(hào)都非常微弱，一般為微伏級(jí)，對(duì)這些信號(hào)的采集并多級(jí)濾波放大是振動(dòng)液柱校準(zhǔn)控制儀需解決的首要問(wèn)題，總體布局見(jiàn)圖3。

圖3　振動(dòng)液柱校準(zhǔn)控制儀結(jié)構(gòu)功能框圖

如圖3功能框圖，為減小部件內(nèi)部相互干擾和各部件之間的相互干擾，本儀器進(jìn)行了合理布局，并對(duì)各組件進(jìn)行了嚴(yán)格的屏蔽，模擬電路與數(shù)字電路各自獨(dú)立分開(kāi)，控制儀將控制單元、顯示單元、供電單元、濾波單元及功放單元完全隔離，利用屏蔽線連接，達(dá)到很好的抗干擾效果。

4.2　振動(dòng)液柱校準(zhǔn)控制儀的工作原理

振動(dòng)液柱校準(zhǔn)控制儀的整體設(shè)計(jì)框圖及原理圖如圖4所示。

圖4　振動(dòng)液柱校準(zhǔn)控制儀整體設(shè)計(jì)框圖

由圖4設(shè)計(jì)框圖可知，以單片機(jī)89C52為核心的控制單元，通過(guò)一片16位的A/D轉(zhuǎn)換完成CHA(水聽(tīng)器)及CHB(加速度計(jì))兩路放大器的信號(hào)采集，根據(jù)采集到的信號(hào)判斷程控放大的放大倍數(shù)及高低通濾波器的濾波截至頻率上下限，同時(shí)利用電子多路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多串口通訊分時(shí)全雙工，完成彩色液晶顯示和主機(jī)通信的操作，根據(jù)與主機(jī)的數(shù)據(jù)通信，給主機(jī)提供發(fā)激勵(lì)信號(hào)的參考指令，完成振動(dòng)臺(tái)上的各項(xiàng)設(shè)置。

5　不確定度分析

采用8104標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器作為穩(wěn)定的被測(cè)件，分B類(lèi)評(píng)定方法和A類(lèi)評(píng)定方法，然后合成本裝置的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，從圖1低頻水聲計(jì)量校準(zhǔn)方案和裝置工作原理可知，系統(tǒng)測(cè)試復(fù)雜，測(cè)量過(guò)程引入測(cè)量結(jié)果不確定度分量較多。

5.1　B類(lèi)評(píng)定

1)加速度計(jì)電荷靈敏度引入的不確定度分量uB1，正態(tài)分布；

2)數(shù)據(jù)采集器測(cè)量引入的不確定度分量uB2，正態(tài)分布；

3)液柱深度和被校件入水深度測(cè)量誤差引入不確定度分量uB3，正態(tài)分布；

4)前置放大器輸入阻抗不足引入不確定度分量為uB4，均勻分布；

5)由于振動(dòng)液柱法校準(zhǔn)方法，聲場(chǎng)不均勻引入不確定度分量為uB5，均勻分布；

6)液柱中聲速誤差引入不確定度分量為uB6，均勻分布；

7)用手冊(cè)中給出的標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)于除氣水在常溫下取1000kg/m3，液體密度誤差不大于±0.5％，引入不確定度分量uB7，均勻分布；

8)合成函數(shù)發(fā)生器頻率誤差引入不確定度分量為uB8，均勻分布；

9)振動(dòng)液柱校準(zhǔn)測(cè)試儀最大相對(duì)誤差引入不確定度分量為uB9，正態(tài)分布；

10)忽略重力落差引起的不確定度分量uB10；

11)由波動(dòng)修正因子誤差引入的不確定度分量uB11；

12)由振動(dòng)臺(tái)加速度波形失真引入的不確定度分量uB12，正態(tài)分布；

由式(1)～(4)可得：

引入以上數(shù)據(jù)計(jì)算得到本裝置B類(lèi)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：uB=0.27dB

5.2　A類(lèi)評(píng)定

A類(lèi)評(píng)定不確定度采用多次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)偏差表征，對(duì)保留被測(cè)件8104水聽(tīng)器測(cè)量6組數(shù)據(jù)，測(cè)試頻率20Hz～2kHz,按1/3倍頻程選取測(cè)試頻率點(diǎn)，根據(jù)貝塞爾法，用下式計(jì)算實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)偏差：

通過(guò)對(duì)6組數(shù)據(jù)計(jì)算，A類(lèi)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：uA=0.06dB

5.3　不確定度合成

6　結(jié)論

本文在對(duì)振動(dòng)液柱法的聲壓靈敏度算法簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上，進(jìn)行低頻水聲計(jì)量校準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)。使用證明，本裝置設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)在提高推力指標(biāo)的同時(shí)，兼顧了橫向振動(dòng)比和臺(tái)面均勻性的要求，標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)隔振措施采用彈簧隔振，整個(gè)系統(tǒng)組成一個(gè)彈簧懸掛系統(tǒng)，懸掛系統(tǒng)的固有頻率只與質(zhì)量塊的質(zhì)量和彈簧的剛度有關(guān)。振動(dòng)液柱管選用鈦鋼，為了能滿足不同尺寸水聽(tīng)器的校準(zhǔn)需要，又能滿足不同校準(zhǔn)頻率的需要，將校準(zhǔn)容器設(shè)計(jì)多種尺寸，根據(jù)不同任務(wù)選用不同的尺寸，振動(dòng)液柱校準(zhǔn)控制儀集成了數(shù)據(jù)采集、儀器控制與數(shù)據(jù)分析的功能，成功解決了水聲專用裝備的低頻水聲聲壓靈敏度參數(shù)量值傳遞的關(guān)鍵問(wèn)題，技術(shù)指標(biāo)滿足校準(zhǔn)低頻水聽(tīng)器要求，方案中使用的前置放大無(wú)噪聲偏置技術(shù)以及具有放大電荷和微伏級(jí)電壓放大能力的電荷放大器的運(yùn)用，都對(duì)水聲測(cè)控領(lǐng)域具有一定的借鑒意義。

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