安 寅，黃濤威，陳棣湘

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長沙 410003）

0 引 言

與光波和無線電波相比，聲波在水中的傳播性能最好。水聲傳感器是聲引信中重要的接收部件。由于長期受溫度、濕度、電磁等因素的影響，水聲傳感器的靈敏度會(huì)產(chǎn)生一定變化，影響水聲設(shè)備的整體性能。因此，對(duì)水聲傳感器進(jìn)行靈敏度測(cè)試顯得尤為關(guān)鍵。

目前，絕大部分水聲計(jì)量站都是通過消聲水池來實(shí)現(xiàn)水聲傳感器靈敏度測(cè)試。但消聲水池[1]的造價(jià)及技術(shù)要求高，且存在占用面積大、不可移動(dòng)等問題，不適用于水聲傳感器的外場測(cè)試。同時(shí)，國內(nèi)外對(duì)于水聲傳感器測(cè)試的常用方法還有自由場互易測(cè)量法、振動(dòng)液柱法、MARKI型管帶測(cè)量法、揚(yáng)聲器激勵(lì)測(cè)量法、壓電補(bǔ)償法等。其中，自由場互易測(cè)量法需要使用3個(gè)換能器，操作復(fù)雜，且易受客觀因素的影響，對(duì)現(xiàn)場測(cè)試造成不便；振動(dòng)液柱法和MARKI型管帶測(cè)量法都需一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)臺(tái)，體積大，且測(cè)量頻率范圍受限，在5～2500Hz之間；揚(yáng)聲器激勵(lì)測(cè)量法操作復(fù)雜，噪聲相對(duì)較大且空間聲場易受外界環(huán)境影響；壓電補(bǔ)償法受腔體內(nèi)最大尺寸不大于十分之一波長的限制，其測(cè)量頻率范圍受限[2-3]。由此，設(shè)計(jì)了一套攜帶方便、體積小、操作簡單的水聲傳感器測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

考慮到水聲傳感器的敏感元件主要是由壓電材料制作的壓電振子，本設(shè)計(jì)采用壓電振動(dòng)法來實(shí)現(xiàn)水聲傳感器的參數(shù)測(cè)試。壓電振動(dòng)法[4]是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)把外加的激勵(lì)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成輻射面的振動(dòng)，通過壓電陶瓷振動(dòng)向水中輻射聲波，水聲傳感器接收到聲波，其內(nèi)部壓電振子將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，供檢測(cè)電路采集。期間，信號(hào)實(shí)現(xiàn)電能-聲能-電能3者之間的相互轉(zhuǎn)換[5]。

水聲傳感器測(cè)試系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，在測(cè)試過程中，將水聲傳感器放置在水聲測(cè)試裝置中，用計(jì)算機(jī)控制D/A轉(zhuǎn)換器輸出程控電壓信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)壓電圓管產(chǎn)生振動(dòng)來模擬聲壓源，向水中輻射聲波。壓電圓管的振動(dòng)幅度可通過電壓控制。聲波通過水媒介傳播到水聲傳感器，傳感器接收到聲波，并轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)調(diào)理電路主要包括低噪聲高輸入阻抗的前置放大器、測(cè)量放大器和濾波電路，用于完成對(duì)水聲傳感器和加速度計(jì)輸出信號(hào)的調(diào)理。將水聲傳感器輸出的微弱檢測(cè)信號(hào)通過前置放大器和程控放大，并濾除頻帶外的噪聲和干擾信號(hào)，再送入數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示。

圖1 水聲傳感器測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

2 水聲傳感器測(cè)試系統(tǒng)硬件組成

水聲傳感器測(cè)試系統(tǒng)由待測(cè)水聲傳感器、硬件電路、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)4部分構(gòu)成。

2.1 水聲傳感器測(cè)試裝置

水聲傳感器測(cè)試裝置是基于壓電振動(dòng)法設(shè)計(jì)的，主要由水槽杯體（即容器）、壓電陶瓷圓管[6]、灌入到容器與壓電陶瓷圓管間的水介質(zhì)、壓電陶瓷圓管與水聲傳感器間的水介質(zhì)（蒸餾水）組成，水聲傳感器測(cè)試裝置如圖2所示。測(cè)試時(shí)將待測(cè)水聲傳感器放置在壓電圓管中央。

圖2 水聲傳感器測(cè)試裝置示意圖

其中，水槽杯體采用鋼材料制作，因其與吸聲材料和透聲材料相比，在同樣的激勵(lì)條件下，鋼材料可以獲得更大的聲能量，同時(shí)鋼材料的密度大，質(zhì)量大，可以很好地保證測(cè)試裝置的穩(wěn)定性。另外，為防止因鋼材料不純而導(dǎo)致杯體生銹，需對(duì)水槽杯體進(jìn)行鍍鉻處理。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電圓管的準(zhǔn)確定位安裝，同時(shí)保證壓電陶瓷圓管能夠自由振動(dòng)，在壓電圓管上下端安裝卡口定位圈?？诙ㄎ蝗Σ捎镁鬯姆蚁┲谱鳎哂辛己玫哪透g特性，為便于安裝導(dǎo)線，卡口周圍開了4個(gè)半圓形小口。同時(shí)，為使內(nèi)外兩個(gè)腔體有效隔離，并保證整個(gè)測(cè)試裝置具有良好氣密性，在卡口定位圈凹槽處安裝了橡膠圈。水聲傳感器測(cè)試裝置的實(shí)物圖如圖3所示。

2.2 硬件電路

圖3 水聲傳感器測(cè)試裝置實(shí)物圖

水聲傳感器測(cè)試系統(tǒng)硬件電路主要由水聲傳感器激勵(lì)電路、信號(hào)調(diào)理電路、適配器硬件電路3部分組成。其中，水聲傳感器激勵(lì)電路主要完成對(duì)壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)，通過施加激勵(lì)電壓使壓電陶瓷片產(chǎn)生振動(dòng)來模擬聲壓源。信號(hào)調(diào)理電路主要完成對(duì)信號(hào)的放大、濾波、隔離，從而提高對(duì)信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。適配器硬件電路主要包括模擬光耦隔離電路、數(shù)字IO光電隔離電路、穩(wěn)壓電路以及各種接口轉(zhuǎn)接電路[7]。

2.3 數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)

實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和處理離不開數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。為滿足在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行的需求，本設(shè)計(jì)采用具有抗電磁干擾、抗振、抗沖擊等優(yōu)勢(shì)的工控機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡采用泛華公司基于PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-3361，板卡提供16路模擬輸入，內(nèi)置16位ADC，單通道最高可達(dá)250kS/s采樣速率；2路同步模擬輸出，16位分辨率，輸出更新速率單通道最高2MS/s；8路數(shù)字輸入輸出端口及16路多功能數(shù)字輸入輸出端口；2路計(jì)數(shù)器。這款數(shù)據(jù)采集卡的性能完全滿足系統(tǒng)采集功能的需要。

實(shí)際測(cè)試時(shí)，將PCI-3361數(shù)據(jù)采集卡插入到計(jì)算機(jī)主板上的PCI擴(kuò)展插槽內(nèi)，用雙屏蔽高性能線纜將PCI-3361數(shù)據(jù)采集卡和適配器接線端口相連接，并在計(jì)算機(jī)的控制下完成對(duì)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)等功能。

3 水聲傳感器測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

水聲傳感器測(cè)試模塊主要對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行測(cè)試，用戶界面如圖4所示。

水聲傳感器測(cè)試分兩種測(cè)試模式，第1種為單點(diǎn)測(cè)試，由測(cè)試人員在操作面板上手動(dòng)設(shè)置激勵(lì)信號(hào)。其中激勵(lì)信號(hào)的頻率采用可供選擇的下拉式菜單框，根據(jù)被測(cè)水聲傳感器的工作頻率范圍，其可供選擇的值為 10，20，50，100，200，500，1000，2000，5000Hz。由于被測(cè)水聲傳感器的動(dòng)態(tài)范圍為105～165dB，因此聲壓的輸入范圍為105～165之間的整數(shù)，根據(jù)水聲傳感器測(cè)試裝置的特性，對(duì)不同頻率對(duì)應(yīng)的聲壓輸入范圍進(jìn)行設(shè)定；設(shè)置好激勵(lì)信號(hào)后，按下相應(yīng)“開始單點(diǎn)測(cè)試”按鍵，即可測(cè)得相應(yīng)的聲壓、傳感器的輸出聲壓和聲靈敏度信息。

第2種為連續(xù)測(cè)試，按下“開始連續(xù)測(cè)試”按鈕，程序自動(dòng)改變測(cè)試頻率及激勵(lì)聲壓信號(hào)幅度，測(cè)試并計(jì)算 10，20，50，100，200，500，1000，2000，5000Hz 處的聲壓傳感器靈敏度，繪出水聲傳感器開路接收聲壓靈敏度頻率響應(yīng)曲線。

水聲傳感器測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為水聲信號(hào)的采集與IO控制、數(shù)據(jù)處理和生成報(bào)表3個(gè)部分。

3.1 數(shù)據(jù)采集及IO控制模塊

水聲傳感器測(cè)試的整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程涉及模擬輸入（AD）、模擬輸出（DA）、IO控制3個(gè)部分的協(xié)同運(yùn)作。因此，需考慮三者間任務(wù)開始的先后順序[8]。利用順序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這一時(shí)序控制。

首先，利用兩路數(shù)字IO根據(jù)不同頻率水聲傳感器信號(hào)的大小來控制電路程控放大的倍數(shù)，IO輸出共有 4 種組合：00，01，10，11，分別對(duì)應(yīng)程控放大倍數(shù)1，10，100，1000 倍。

然后，利用模擬輸出（DA）模塊產(chǎn)生一路正弦波激勵(lì)信號(hào)，為方便后面的數(shù)據(jù)處理，模擬輸出使用的采樣率與模擬輸入的一致，且模擬輸出采樣數(shù)的設(shè)置需考慮到產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)必須能夠持續(xù)到采樣結(jié)束，否則還未采集完激勵(lì)就停止了，將采集不到數(shù)據(jù)。因此，本設(shè)計(jì)中模擬輸出采樣數(shù)設(shè)置為模擬輸入采樣數(shù)據(jù)量的1.2倍。

圖4 水聲傳感器測(cè)試系統(tǒng)用戶界面

最后利用一路模擬輸入（AD）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為方便數(shù)據(jù)處理并提高測(cè)試精度，在數(shù)據(jù)采集過程中采用了整周期采樣法，即針對(duì)不同頻率的信號(hào)都固定采樣100000個(gè)數(shù)據(jù)，并且通過調(diào)節(jié)采樣頻率，保證采樣時(shí)間始終是信號(hào)周期的整數(shù)倍，這樣可以有效抑制干擾和噪聲的影響。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 數(shù)字鎖相放大

數(shù)據(jù)采集卡采集到的傳感器輸出信號(hào)為湮沒在噪聲中的微弱信號(hào)，在對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算之前需要對(duì)其進(jìn)行微弱信號(hào)檢測(cè)，利用數(shù)字正交鎖相放大的方法對(duì)其進(jìn)行處理。

鎖相放大器[9]（lock-in amplifier，LIA）是以相關(guān)檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，利用參考信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率相關(guān)，與噪聲頻率不相關(guān)，從而從噪聲中提取有用信號(hào)。正交鎖相放大器由一路信號(hào)通道、兩路參考通道和兩個(gè)相關(guān)器（相敏檢波器）組成。相敏檢波器實(shí)際上是一個(gè)乘法器。輸入信號(hào)和參考信號(hào)分別加在相敏檢波器的兩個(gè)輸入端。

本設(shè)計(jì)中用正弦波作為鎖相放大器的參考信號(hào)[10]。Vs（t）=x（t）+n（t）表示系統(tǒng)實(shí)際接收到的帶有噪聲的信號(hào)，其中 x（ t）=Asin（ ωt+φ）是需要檢測(cè)的樣品信號(hào)，n（t）則表示背景噪聲。Vr（t）=Bsin（ωt）與V′r（t）=Bsin（ωt+π/2）分別是與x（t）同頻的參考信號(hào)1和參考信號(hào)2，它們相位相差π/2。

經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡后得到的信號(hào)是離散時(shí)間信號(hào)，其互相關(guān)函數(shù)值可以由下式表示，其中N表示采樣點(diǎn)數(shù)：

利用噪聲n（t）與參考信號(hào)Vr（t）、V′r（t）不相關(guān)，即可將其濾掉。

輸入信號(hào)的幅值（最大值）Vx為

3.2.2 聲壓靈敏度計(jì)算方法

若聲壓x以Pa為單位，水聲傳感器的輸出電壓y以μV為單位，由于1μPa的聲壓對(duì)應(yīng)0 dB，因此當(dāng)用分貝表示聲壓時(shí)，計(jì)算公式為120+20lgx；由于聲壓靈敏度1V/μPa對(duì)應(yīng)0dB，因此聲傳感器的聲壓靈敏度計(jì)算公式為

4 測(cè)試結(jié)果

分別在 10，20，50，100，200，500，1 000，2 000，5000Hz 9個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)某型水聲傳感器的聲壓靈敏度進(jìn)行測(cè)試，表1為不同測(cè)試頻率下的水聲傳感器聲壓靈敏度測(cè)試結(jié)果，表2為激勵(lì)信號(hào)頻率固定、幅度變化時(shí)水聲傳感器聲壓靈敏度測(cè)試結(jié)果。從表1可以看出：在10Hz～5kHz頻率范圍內(nèi)，被測(cè)水聲傳感器的聲壓靈敏度隨頻率的升高有所下降，變化范圍為-204.14~-181.12dB。

表1 不同測(cè)試頻率下水聲傳感器靈敏度測(cè)試結(jié)果

表2 激勵(lì)電壓幅度變化時(shí)水聲傳感器靈敏度測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出：當(dāng)激勵(lì)聲壓幅度變化時(shí)，水聲傳感器的靈敏度測(cè)試結(jié)果基本不變（誤差＜0.2 dB），說明聲壓產(chǎn)生裝置和被測(cè)聲傳感器均具有良好的線性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的便攜式水聲傳感器靈敏度測(cè)試系統(tǒng)。考慮到待測(cè)水聲傳感器的換能器主要是壓電陶瓷，為便于現(xiàn)場測(cè)試，采用壓電振動(dòng)法對(duì)水聲傳感器進(jìn)行測(cè)試。利用LabVIEW軟件控制輸出程控電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片產(chǎn)生振動(dòng)來模擬聲壓源，通過電壓控制改變壓電陶瓷片的振動(dòng)幅度并對(duì)水聲傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行一系列處理，從而計(jì)算出被測(cè)水聲傳感器的聲壓靈敏度。測(cè)試結(jié)果表明：該水聲傳感器測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試精度高，并且具有操作簡單、便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)，適用于工業(yè)現(xiàn)場對(duì)水聲傳感器性能的測(cè)試。

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