成浩 ，陳洪娟 ，李佳桐

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矢量水聽器低頻絕對校準裝置研究

成浩1，陳洪娟2，李佳桐3

(1. 海軍研究院，上海 200235；2.哈爾濱工程大學水聲工程學院，黑龍江哈爾濱 150001；3. 中國電子科技集團第32研究所，上海 201808)

提出了矢量水聽器低頻絕對校準裝置。首先給出了矢量水聽器絕對校準的原理，通過測量聲源輻射面的加速度，利用駐波管中平面駐波聲場中的聲壓、質(zhì)點振速和質(zhì)點加速度在垂直方向上的分布規(guī)律，得出了校準計算公式；之后對校準裝置中平面駐波場在垂直方向上的分布規(guī)律進行了測量驗證，并對測量用加速度計進行了校準；最后對待校矢量水聽器的靈敏度和指向性進行了測試。結果表明：在10～315 Hz頻帶內(nèi)，矢量水聽器低頻絕對校準裝置在±1 dB誤差允許范圍內(nèi)，可用于矢量水聽器的絕對校準。

矢量水聽器；低頻校準；絕對校準

0 引言

隨著矢量水聽器在工程中的廣泛應用，使得人們對矢量水聽器性能的評價越來越關注，對矢量水聽器的靈敏度和指向性進行校準可以準確地了解矢量水聽器性能的優(yōu)劣。目前對矢量水聽器進行校準一般采用振動液柱法[1 ]或駐波管比較校準法[2-4 ]，工作頻帶一般在20 Hz以上，但對于頻率范圍為10～20 Hz的甚低頻段開展矢量水聽器的絕對校準裝置研究較少，本文在駐波管校準裝置的基礎上，利用駐波聲場的特性，通過理論研究和實踐操作，在10～315 Hz頻率范圍內(nèi)，建立了可以對矢量水聽器進行絕對校準的裝置。

1 矢量水聽器絕對校準原理

水聽器的校準可以分為一級校準和二級校準兩個級別[5 ]。在二級校準中，通常使用標準水聽器對待校水聽器進行校準，也就是通常所說的比較校準法，而在一級校準中可以使用已校準的振蕩器、放大器、電壓表和阻抗電橋等儀表，但不能使用已校準的換能器。也就是說，在一級校準法中，使用的各換能器的接收靈敏度或發(fā)送響應都是未知的，一級校準法也稱之為絕對校準法。

1.1 校準原理

在駐波管中進行矢量水聽器的絕對校準，需要在駐波管中建立穩(wěn)定的平面駐波場，通過底部安裝好的輻射面板向駐波管內(nèi)垂直向上發(fā)射聲波，聲波在管口附近的水-空氣界面發(fā)生反射，建立起穩(wěn)定的駐波聲場。待校水聽器的靈敏度通過直接測量水聽器的開路電壓和間接測量作用在水聽器上的實際聲壓求得，而作用在水聽器上的實際聲壓是利用介質(zhì)的聲阻抗和邊界條件以及聲源的參數(shù)來求得的。

1.2 校準公式

將式(1)代入到歐拉公式中，得到駐波管內(nèi)聲場中質(zhì)點振速的表達式為

對式(3)進行微分，可以得到駐波管聲場中加速度的表達式為

根據(jù)加速度靈敏度與聲壓靈敏度之間的關系，可以得到矢量水聽器矢量通道的自由場聲壓靈敏度公式為

最終可以得到矢量水聽器矢量通道的自由場聲壓靈敏度級的計算公式為

2 矢量水聽器絕對校準裝置

駐波管絕對校準裝置由聲管、信號源、功率放大器、電動換能器、輻射板、測量放大器、濾波器、示波器等儀器組成。聲管底部安裝有輻射板，輻射板由電動換能器驅(qū)動向聲管中輻射聲波，聲波在聲管口的空氣-水界面處發(fā)生反射，從而在聲管內(nèi)形成駐波場。電動換能器的發(fā)射信號由信號源控制，輻射板的中心剛性固定一只經(jīng)過校準的加速度計，用于測量輻射板上的加速度。絕對校準裝置系統(tǒng)框圖和實物圖如圖1和圖2所示。

圖1 絕對校準裝置系統(tǒng)框圖

圖2 矢量水聽器絕對校準裝置

校準裝置中駐波管的口徑為45 cm，深度為65 cm；底部輻射板直徑為25 cm。根據(jù)圓管中駐波聲場理論[7 ]，活塞聲源振動頻率應低于管中傳播的最低階次(0,1)簡正波的截止頻率，管中只存在(0,0)階簡正波，這樣可以保證駐波管中的聲場在水平方向上為平面波，在垂直方向上符合駐波聲場中的聲傳輸理論[1 ]。在工作頻帶內(nèi)，若不能保證輻射面的振幅和相位一致，也即聲源為非對稱聲源，則駐波管中(0,1)階簡正波的計算公式為[8 ]

當活塞聲源振動頻率低于此截止頻率時，(0,1)階簡正波不能被激發(fā)，管中只存在(0,0)階簡正波。經(jīng)計算，駐波管校準腔中(0,1)階簡正波的截止頻率為1 900 Hz，可以滿足10～315 Hz工作頻帶的要求。

校準裝置中需要用加速度計測量輻射板中心處的加速度值，用以推導出待校水聽器所在位置處的聲壓值，因此加速度計在工作頻帶范圍內(nèi)受到恒定振動激勵時，其電壓輸出應維持不變，這就要求加速度計在工作頻帶內(nèi)有一個平坦的加速度靈敏度響應。除此之外還需要考慮加速度計的線性度和動態(tài)范圍，對于加速度計的線性度，要求加速度計的輸出在工作頻帶內(nèi)必須與輸入呈線性關系，動態(tài)范圍盡量寬，以保證標準矢量水聽器可以在寬工作頻帶內(nèi)工作。

在B&K4808振動臺校準系統(tǒng)上對加速度計的靈敏度進行校準，測試結果如圖3所示。

圖3 加速度計靈敏度校準結果

從測試結果中可以看出，加速度計的靈敏度頻響曲線比較平坦，其加速度靈敏度在10～350 Hz范圍內(nèi)基本保持在940 mV.m-1.s2)左右。

圖4 10 Hz條件下軸向質(zhì)點加速度場的測量結果

圖5 315 Hz條件下軸向質(zhì)點加速度場的測量結果

從圖4可知，軸向質(zhì)點加速度場的實測曲線與理論曲線符合得很好，各個頻點所測得的質(zhì)點加速度沿軸向分布與理論值的偏差均在0.3 dB以內(nèi)，說明絕對校準裝置能夠達到較高的精度。

3 矢量水聽器的性能測試

以某大學研制的同振式柱形矢量水聽器為測量對象，該矢量水聽器為二維矢量通道，長度為173 mm，直徑為42 mm，設計靈敏度為-173.3 dB(160 Hz，0 dB=1 V/μPa)。

3.1 靈敏度校準結果

在絕對校準裝置上對待校矢量水聽器進行校準，矢量水聽器矢量通道的自由場聲壓靈敏度的校準公式由1.2節(jié)中絕對校準方法的式(7)給出。將標準矢量水聽器放置在聲管中的合適位置，通過記錄標準矢量水聽器的輸出和輻射板上加速度計的輸出，就可以計算出標準矢量水聽器的自由場聲壓靈敏度。為了與傳統(tǒng)的駐波場中的相對校準法作比對，同時將B&K8104標準水聽器放入聲管中，對標準矢量水聽器進行相對校準。絕對校準與相對校準的校準結果如表1所示。

表1 聲壓靈敏度絕對校準與相對較準的結果(dB)

絕對校準結果與相對校準結果的對比曲線如圖6所示。

圖6 兩種聲壓靈敏度校準結果的對比曲線

校準結果顯示，待校矢量水聽器的自由場聲壓靈敏度的頻響曲線符合每1/3倍頻程增加2 dB的規(guī)律，在10～315 Hz測量頻帶范圍內(nèi)，待校矢量水聽器矢量通道的靈敏度頻響曲線與相對校準結果相比更為平穩(wěn)，其自由場聲壓靈敏度的不均性小于±1 dB。在160 Hz頻點上絕對校準結果為-174.6 dB，與理論設計值基本符合，考慮到矢量水聽器聚氨酯外殼的透聲性能[9 ]和系統(tǒng)不確定度的影響，校準結果與理論偏差應在±1 dB的范圍內(nèi)。

在10～20 Hz的甚低頻段，相對校準結果相比于絕對校準出現(xiàn)了明顯的偏差，低頻段校準曲線的變化趨勢不符合矢量水聽器靈敏度的變化規(guī)律。其原因在于，在甚低頻段，外界傳來的噪聲和振動會明顯影響到同振式矢量水聽器的校準精度，相對校準法中使用的標準聲壓水聽器通過與之相連的懸掛裝置極易受到外界干擾，同時，在甚低頻段發(fā)射換能器聲源級過低，導致駐波管內(nèi)聲場的信噪比較低，相對校準法需要由標準聲壓水聽器測得的聲壓作為傳遞值傳遞給矢量水聽器。在信噪比較低的情況下，測得的聲壓值精確度較低，如果增大放大器的輸出則容易引起聲場畸變，因此在甚低頻段相對校準結果偏差較大。絕對校準通過加速度計直接測量底部輻射板的加速度值，排除了外界的干擾因素，在不引起聲場畸變的情況下，可以通過測得的加速度值計算得到待校矢量水聽器所在位置處的聲壓值，因此校準精度較高。

3.2 指向性校準結果

矢量水聽器指向性的測量在絕對校準裝置自動測量系統(tǒng)中進行，由電腦控制電機自動旋轉(zhuǎn)，標準矢量水聽器的輸出電壓由采集器采集并存儲到電腦中進行處理。對標準矢量水聽器的指向性進行測量時，為保證水聽器的輸出值不受電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械振動的影響，將標準矢量水聽器由彈簧懸掛在支架上，電機帶動支架旋轉(zhuǎn)。

對待校矢量水聽器在20 Hz頻率點上的指向性進行測量，并繪制成指向性圖，如圖7所示。從測量結果來看，絕對校準裝置在20 Hz頻率點上具有較高的信噪比，可以滿足實驗測試的需求。

圖7 矢量水聽器20 Hz的指向性校準結果

4 結論

矢量水聽器在工程應用上越來越趨于低頻、小型化和高靈敏度，對于甚低頻段矢量水聽器的校準技術的研究顯得尤為重要。本文對矢量水聽器絕對校準裝置進行了理論分析和聲場驗證測量，最后對矢量水聽器進行了校準。從校準結果來看，提出的矢量水聽器絕對校準裝置可以對矢量水聽器在10～315 Hz的頻帶范圍內(nèi)進行聲壓靈敏度的絕對校準和指向性校準，靈敏度校準結果的不均勻性小于±1 dB。本校準裝置的建立可以為后續(xù)建立矢量水聽器一級校準系統(tǒng)奠定基礎。

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Research on low frequency absolute calibration apparatus of acoustic vector hydrophone

CHENG Hao1, CHEN Hong-juan2, LI Jia-tong3

(1. Navy Institution of Standard and Specification, Shanghai 200235,China;2. Underwater Acoustic Engineering College, Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China;3.China Electronic Technology Group Corporation thirty-second Research Institute, Shanghai 201808,China)

Low frequency absolute calibration apparatus of acoustic vector hydrophone is studied and proposed. The theory of acoustic vector hydrophone absolute calibration is introduced. By measuring the acceleration of radiation surface on the bottom of the tube and using the distribution patterns of pressure and particle in the vertical direction in plane standing wave sound field, the calibration formula is obtained. The radiation surface of the calibration apparatus is improved, and the accelerometer for measuring radiation surface is calibrated. Finally, both the sensitivity and directivity of an acoustic vector hydrophone are tested by the absolute calibration apparatus. The results show that in the allowable error range of ±1 dB, the absolute calibration apparatus can be used for absolute calibration of acoustic vector hydrophone within the 10～315 Hz frequency range.

acoustic vector hydrophone; low frequency calibration; absolute calibration

TB566

A

1000-3630(2018)-03-0292-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.03.018

2017-10-09;

2017-12-01

成浩(1989－), 男, 河北定州人, 碩士研究生, 研究方向為水聲換能器器及測量技術。

成浩, E-mail: cheng008cheng008@126.com