王振 劉振江 項(xiàng)頊 于硯廷 李曄

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所1,山東 青島 266001;山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2,山東 青島 266001)

空氣中矢量水聽(tīng)器相位差測(cè)試方法研究

王振1,2劉振江1,2項(xiàng)頊1,2于硯廷1,2李曄1,2

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所1,山東 青島 266001;山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2,山東 青島 266001)

為解決低頻振速型矢量水聽(tīng)器相位差測(cè)試中出現(xiàn)的環(huán)境、體積受限問(wèn)題,在分析矢量水聽(tīng)器用聲壓、振速傳感器測(cè)試原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了矢量水聽(tīng)器相位差測(cè)試裝置。將該裝置與駐波管進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果表明該裝置可以滿(mǎn)足矢量水聽(tīng)器相位差的測(cè)試要求,并且在甚低頻范圍內(nèi)比駐波管更準(zhǔn)確。分別就傳感器數(shù)量、放置方式對(duì)相位差的影響進(jìn)行測(cè)試,分析結(jié)果表明,振速、聲壓傳感器的數(shù)量以及聲壓傳感器的放置深度變化對(duì)相位差測(cè)試結(jié)果沒(méi)有影響。

矢量水聽(tīng)器 相位差 振動(dòng)臺(tái) 振速 甚低頻

0 引言

振速型矢量水聽(tīng)器需要能夠同時(shí)完成聲場(chǎng)中某點(diǎn)處聲壓和三個(gè)正交方向振速的測(cè)量[1-2]。為保證矢量水聽(tīng)器的測(cè)量準(zhǔn)確度,需要對(duì)其聲壓通道和振速通道的靈敏度、相位等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。目前已有的矢量水聽(tīng)器相位校準(zhǔn)方法主要是在消聲水池、駐波管和外場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行的。現(xiàn)有消聲水池在2 kHz以下頻率范圍的吸聲效果并不能滿(mǎn)足相位測(cè)試要求[3];駐波管可以解決矢量水聽(tīng)器的低頻校準(zhǔn)問(wèn)題,但對(duì)其體積有限制,并且無(wú)法測(cè)試動(dòng)圈式矢量水聽(tīng)器的水平矢量通道[4-6];外場(chǎng)受環(huán)境因素影響較大,另外校準(zhǔn)工作不易實(shí)施[7]。

本文設(shè)計(jì)了矢量水聽(tīng)器相位差測(cè)試裝置。在振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)上,在空氣中對(duì)振速水聽(tīng)器和放置在液柱中的聲壓水聽(tīng)器進(jìn)行相位差測(cè)試,從原理、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和準(zhǔn)確度分析的角度展開(kāi)敘述。

1 相位差測(cè)試原理研究

為獲得矢量水聽(tīng)器矢量、標(biāo)量通道間的相位差特性,需要分別對(duì)其聲壓水體器以及X方向、Y方向、Z方向三個(gè)振速分量傳感器的相位進(jìn)行測(cè)量。由于聲壓信號(hào)與振速信號(hào)對(duì)應(yīng)的單位不同,因此測(cè)得的信號(hào)之間必然會(huì)存在由單位差異而引起的固有相位差。

1.1 聲壓、振速水聽(tīng)器測(cè)試原理

對(duì)于聲壓水聽(tīng)器,其測(cè)試原理為外界聲波傳遞到水聽(tīng)器時(shí)激勵(lì)其內(nèi)部壓電陶瓷傳感元件發(fā)生形變進(jìn)而輸出電信號(hào),這就意味著聲壓水聽(tīng)器必須放置在聲音的傳播介質(zhì)中,用聲波進(jìn)行激勵(lì)來(lái)完成測(cè)量。而由于聲音在空氣中的傳播衰減性較水中大很多,因此聲壓水聽(tīng)器的相位測(cè)量需要放置在水中來(lái)進(jìn)行。這里使用固定在振動(dòng)臺(tái)上的駐波液柱管來(lái)對(duì)聲壓水聽(tīng)器進(jìn)行相位測(cè)量。

對(duì)于振速水聽(tīng)器,其結(jié)構(gòu)由內(nèi)部分別沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向固定放置的振速傳感器和外部剛性水密球殼組成,且振速傳感器與外部球殼間保持剛性連接。當(dāng)聲波傳遞到振速水聽(tīng)器時(shí),首先激勵(lì)球殼發(fā)生振動(dòng),然后球殼帶動(dòng)內(nèi)部振速傳感器振動(dòng)輸出電信號(hào),則內(nèi)部振速傳感器僅通過(guò)外部球殼的振動(dòng)來(lái)感應(yīng)外界聲波變化。因此,測(cè)量振速水聽(tīng)器相位時(shí),可以將其直接放在空氣中固定在振動(dòng)臺(tái)上,通過(guò)振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)整個(gè)水聽(tīng)器球體來(lái)模擬聲波的作用。

1.2 相位差測(cè)試原理

當(dāng)液柱高度L大于圓管直徑2a時(shí),可將液柱看作短聲傳輸線(xiàn),管中僅有平面波傳播[3]。利用傳輸線(xiàn)理論可得出管底輻射聲壓為:

式中:p為水的密度;c為水中聲速;L為液柱高度;h為聲壓水聽(tīng)器在水中深度;a為底座的加速度;v為液柱底座的振速。

由此可知,理想的聲壓信號(hào)p與激勵(lì)加速度信號(hào)a同相位,而比激勵(lì)振速信號(hào)v相位超前π/2。因此,在待測(cè)頻點(diǎn)處對(duì)相同激勵(lì)下的聲壓信號(hào)與振速信號(hào)的相位ψp與ψv做差,再減去固有相位差π/2,即可得到聲壓、振速之間的相位差Δφ=ψp-ψv-π/2。但是液柱只能在垂直方向形成駐波場(chǎng)。使用上述方法可以測(cè)量聲壓信號(hào)與垂直方向振速信號(hào)間的相位差,對(duì)于聲壓與水平方向振速信號(hào)間的相位差還需要借助于加速度傳感器來(lái)完成。

根據(jù)聲壓水聽(tīng)器的無(wú)矢量性,可先在垂直方向上測(cè)得相同激勵(lì)下聲壓水聽(tīng)器與加速度傳感器的相位差ΔΦ=(ψp-ψa),ψa為加速度傳感器信號(hào)相位;再測(cè)得該加速度傳感器與待測(cè)振速傳感器在水平方向上的相位差Δγx,y=(ψvx,y-ψa),ψvx,y為水平方向振速信號(hào)相位,則可計(jì)算得到聲壓水聽(tīng)器與水平方向振速傳感器的相位差為Δφ=ΔΦ-Δγx,y-π/2=ψp-ψvx,y-π/2。

2 測(cè)試方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 相位差測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

在空氣中,根據(jù)上述測(cè)試原理,借助于振動(dòng)臺(tái)、激振器、駐波液柱管、信號(hào)發(fā)生器、采集儀搭建了矢量水聽(tīng)器相位測(cè)試裝置。裝置示意圖如圖1所示。

在圖1(a)中,垂直振動(dòng)臺(tái)上固定有駐波液柱管、振速水聽(tīng)器球和加速度傳感器,聲壓水聽(tīng)器放置于填滿(mǎn)水的液柱管中。通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)面使液柱管與振速球支架保持水平。振動(dòng)臺(tái)固定在激振器上,用信號(hào)發(fā)生器來(lái)控制激振器的信號(hào)輸入。測(cè)量過(guò)程中,聲壓水聽(tīng)器、垂直方向上的振速傳感器以及加速度傳感器信號(hào)用高精度數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并將采集的數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在圖1(b)中,振速水聽(tīng)器球和加速度傳感器安裝在水平振動(dòng)臺(tái)上,振動(dòng)臺(tái)、激振器、采集儀的連接方式與圖1(a)中相同,以完成水平振速相位的測(cè)試。

圖1 矢量水聽(tīng)器相位測(cè)試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the phase difference test device for vector hydrophone

2.2 相位差測(cè)試方法介紹

測(cè)試過(guò)程中,首先測(cè)量聲壓水聽(tīng)器與垂直方向振速傳感器間的相位差,同時(shí)獲取聲壓水聽(tīng)器與加速度傳感器間的相位差信息。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器使振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生所需頻率的振動(dòng),用采集儀同時(shí)采集聲壓水聽(tīng)器信號(hào)、垂直方向振速傳感器信號(hào)以及水平底座上安裝的加速度傳感器信號(hào),用上位機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以得出此頻點(diǎn)處的聲壓、振速相位差。改變頻點(diǎn),重復(fù)以上步驟進(jìn)行測(cè)量,得到待測(cè)頻段內(nèi)的聲壓水聽(tīng)器與垂直方向振速傳感器和加速度傳感器的相位差信息。然后將振動(dòng)臺(tái)調(diào)節(jié)為水平振動(dòng)模式,結(jié)合上述測(cè)量結(jié)果進(jìn)行聲壓水聽(tīng)器與水平兩個(gè)方向的振速傳感器相位差測(cè)量。選擇某一個(gè)水平方向安裝振速水聽(tīng)器球體,如X方向,使其振速X方向平行于振動(dòng)方向,且加速度傳感器方向也與振動(dòng)方向一致,進(jìn)行激振與信號(hào)采集,得到振速傳感器與加速度傳感器數(shù)據(jù)在待測(cè)頻帶內(nèi)的相位差。利用本文所述的水平方向相位測(cè)試方法,便可得到該頻段內(nèi)聲壓水聽(tīng)器與X方向振速傳感器之間的相位差信息。同理,調(diào)節(jié)矢量水聽(tīng)器球體安裝方向使Y方向與振動(dòng)方向一致。重復(fù)上述測(cè)量亦可得到聲壓水聽(tīng)器與Y方向振速傳感器之間的相位差信息。

3 測(cè)試方法準(zhǔn)確性試驗(yàn)分析

利用上述矢量水聽(tīng)器測(cè)試方法和裝置,與在715所國(guó)防水聲一級(jí)計(jì)量站駐波管的相位差測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,并分別就傳感器的數(shù)量、放置方式對(duì)水聽(tīng)器相位特性的影響進(jìn)行了測(cè)試分析。測(cè)試頻率范圍為20～100 Hz,間隔為5 Hz(考慮電磁干擾的原因,去除了50 Hz頻點(diǎn))。

3.1 相位差測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

為驗(yàn)證本文提出的矢量水聽(tīng)器相位測(cè)試方法的準(zhǔn)確性,首先將所用水聽(tīng)器在715所駐波管中進(jìn)行了相位差測(cè)試,參照標(biāo)準(zhǔn)為JJF 1340-2012《20～2 000 Hz矢量水聽(tīng)器校準(zhǔn)規(guī)范》,環(huán)境條件為:水深0.14 m,水溫23℃,室溫25℃[8-10]。由于駐波管和矢量水聽(tīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),該測(cè)試僅能測(cè)得聲壓與垂直振速通道的相位差。將該測(cè)試結(jié)果與本文測(cè)得結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,除去20 Hz處兩者測(cè)試結(jié)果相差大于10°以外,其他頻點(diǎn)處差值均在5°以?xún)?nèi),并且趨勢(shì)相同。產(chǎn)生差異的原因主要是駐波管在甚低頻區(qū)域駐波場(chǎng)的不穩(wěn)定,本文測(cè)試結(jié)果相比較更為準(zhǔn)確。另外,由于本文所測(cè)矢量水聽(tīng)器中采用的振速傳感器在10 Hz處存在共振峰值,而聲壓傳感器在20～100 Hz范圍內(nèi)無(wú)共振頻點(diǎn),因此在10 Hz處相位差數(shù)值應(yīng)接近-90°,大于10 Hz時(shí)的相位差數(shù)值接近于0°,這在圖2中有所體現(xiàn)。

圖2 空氣中相位差測(cè)試與715所測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖Fig.2 Comparison of phase difference test results in the air and the results taken in No.715 Research Institute

3.2 傳感器數(shù)量、位置因素試驗(yàn)分析

針對(duì)測(cè)試所用的振速型矢量水聽(tīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(振速水聽(tīng)器由每個(gè)坐標(biāo)軸方向上的兩個(gè)振速傳感器串聯(lián)而成;聲壓水聽(tīng)器由四個(gè)聲壓傳感器并聯(lián)組成),分別對(duì)振速、聲壓傳感器數(shù)量變化對(duì)水聽(tīng)器相位特性的影響進(jìn)行了分析。

首先在聲壓水聽(tīng)器不變的情況下對(duì)振速球、串聯(lián)兩個(gè)振速傳感器和單個(gè)振速傳感器的聲壓-振速通道相位差進(jìn)行了測(cè)量。圖3給出了振速通道傳感器數(shù)量變化對(duì)相位差的影響測(cè)試結(jié)果。從圖3可以看出,振速傳感器數(shù)量變化對(duì)矢量水聽(tīng)器聲壓-振速通道相位差特性沒(méi)有影響。

圖3 振速傳感器數(shù)量對(duì)矢量水聽(tīng)器相位差的影響示意圖Fig.3 Influence of the quantity of vibration velocity sensors to phase difference of vector hydrophone

然后又在振速水聽(tīng)器不變的情況下,對(duì)單只與四只并聯(lián)聲壓傳感器的聲壓-振速通道相位差進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出,聲壓傳感器數(shù)量變化對(duì)矢量水聽(tīng)器聲壓-振速通道相位差特性也沒(méi)有影響。

圖4 聲壓傳感器數(shù)量對(duì)相位差的影響示意圖Fig.4 Influence of the quantity of sound pressure sensors to phase difference

在使用駐波液柱管測(cè)量聲壓水聽(tīng)器的靈敏度時(shí),水聽(tīng)器入水深度會(huì)引起測(cè)得的靈敏度數(shù)值發(fā)生變化,因此要求聲壓水聽(tīng)器的入水深度保持一致。為分析該入水深度對(duì)聲壓水聽(tīng)器相位特性的影響,將四只聲壓傳感器分別放置在液柱管的四個(gè)不同深度進(jìn)行測(cè)量,圖5給出了該測(cè)試結(jié)果。

從圖5可以看出,深度變化對(duì)矢量水聽(tīng)器聲壓-振速通道相位差特性也沒(méi)有影響。

圖5 聲壓傳感器深度變化對(duì)相位差的影響示意圖Fig.5 Influence of the placing depth of sound pressure sensor to phase difference

4 結(jié)束語(yǔ)

在分析聲壓、振速水聽(tīng)器測(cè)試原理的基礎(chǔ)上,提出了一種利用振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)來(lái)測(cè)量低頻振速型矢量水聽(tīng)器的聲壓與垂直、水平振速通道間相位差的方法。將該方法與水聲一級(jí)計(jì)量站的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,并就傳感器數(shù)量和放置方式對(duì)相位差結(jié)果的影響做了分析。結(jié)果表明,本文的相位差測(cè)試方法在100 Hz以下的甚低頻范圍內(nèi)比駐波管測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確;振速、聲壓傳感器數(shù)量變化及聲壓傳感器放置深度變化對(duì)相位差測(cè)試結(jié)果均沒(méi)有影響。

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Study on the Test Method for Phase Difference of Vector Hydrophone in the Air

In order to solve the restriction problems of environment and volume appeared in phase difference test for low frequency vibration velocity type vector hydrophone,the test device for phase difference of vector hydrophone has been designed on the basis of analyzing the test principle using sound pressure,vibration velocity sensors for vector hydrophone.The inter-comparison verification of this device and standing wave tube is conducted,the result indicates that this device can satisfy the test requirements for phase difference of vector hydrophone and it is more accurate than the standing tube in very low frequency range.The test and analysis with different quantity and placement mode of sensors are carried out;it is found that the vibration velocity,sensor quantity and placing depth of the sensor do not affect the test result of the phase difference.

Vector hydrophone Phase difference Vibration table Vibration velocity Very low frequency

TB565+.1

A

山東省科學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目(編號(hào):2013QN032)。

修改稿收到日期:2014-01-22。

王振(1982-),男,2011年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè),獲博士學(xué)位,助理研究員;主要從事機(jī)械動(dòng)力學(xué)及振動(dòng)測(cè)試分析的研究。