楊柳青 陳毅 張軍

（第七一五研究所，杭州，310023）

測深儀利用換能器在水中發(fā)出聲波，當聲波遇到障礙物而反射回換能器時，根據(jù)傳播時間與聲速，就能得到換能器與障礙物之間的距離。從測深儀的工作原理可知，其發(fā)射聲源級和接收靈敏度直接影響著測量結(jié)果的準確性。為確保測量結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性，就必須對測深儀進行校準。

主動聲吶（測深儀）的聲學參數(shù)主要有：聲源級、發(fā)送電壓響應、發(fā)射指向性、接收靈敏度、接收指向性等。目前，校準這些參數(shù)的方法主要是標準水聽器法和標準目標法。標準目標法的校準技術研究主要有標準目標的研制及不同類型的主動聲吶的校準。上世紀 60年代以來，美國和歐洲等水聲技術發(fā)達國家的研究人員相繼設計并研制了一系列標準目標[1-7]，以滿足不同的主動聲吶校準技術要求。其中，鎢鋼球與銅球的聲散射性能穩(wěn)定。在主動聲吶校準方面，從1987年，Kenneth G Foote首次建立利用標準目標校準主動聲吶的方法以來，這種方法得到了廣泛的應用[8-11]，但國內(nèi)卻沒有此類研究的相關報道。

本文從聲傳播模型出發(fā)，給出了主動聲吶的收發(fā)綜合響應校準公式。針對工作頻率為220 kHz的HPCTB-200-35型測深儀（由杭州應用聲學研究所研制、生產(chǎn)），設計了一套校準測試系統(tǒng)，采用直徑Φ38 mm的鎢鋼球作為標準目標，對該測試儀進行了校準。

1 測量原理與討論

如圖1所示，以測深儀聲中心作為原點，建立空間直角坐標系。z軸為測深儀聲軸方向，目標在(θ,φ)方向上，與測深儀之間的距離為r，且目標與球體分別在彼此的遠場。目標處的入射聲波pi可表示為：

式中，ptran為發(fā)射聲壓的幅值；r是測深儀到目標聲中心之間的距離；t表示時間；ω為聲信號的角頻率；k為波數(shù)。不考慮時間因子與相位因素，則入射波可為：

圖1 主動聲吶校準的聲傳播模型

若發(fā)射器的聲壓指向性函數(shù)為d1(θ,φ)，接收器的聲壓指向性函數(shù)為d2(θ,φ)，fbs為目標在平面波場下的反向散射函數(shù)，可通過理論模型計算得到。

不考慮相位因素，則測深儀接收到的聲壓幅度prec可表示為：

通過換能器不能直接測量聲壓的大小，需要經(jīng)過電聲轉(zhuǎn)換，其關系為：

式中，Utran為發(fā)射電壓；Urec為接收端的輸出電壓；Sv為發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)送電壓響應，M為接收系統(tǒng)的接收靈敏度。聯(lián)立公式（3）與（4）可得：

式中,b(θ,φ)表示發(fā)射指向性與接收指向性的乘積。對于互易換能器，其發(fā)射指向性與接收指向性相等，則有d1(θ,φ)=d2(θ,φ),b(θ,φ)=d21(θ,φ)為換能器的聲強波束圖函數(shù)。當目標在換能器的聲軸上，即θ=0，φ=0，b(0,0)=1時，公式（5）可表示為：

式中，LS為換能器的發(fā)送響應級（參考值為1μPa?m/V）；LM是換能器的靈敏度級 （參考值為1V/μPa）。由公式（6）可知，當測得發(fā)送電壓與回波電壓時，即可得到測深儀的收發(fā)綜合響應。

對于一體化測深儀而言，其發(fā)射電壓不變。此時，不需要關心測深儀內(nèi)部的信號處理過程，其校準示意圖如圖2所示。因而，公式（6）可表示為：

聲源級SL與接收靈敏度級LM之和即為一體化測深儀系統(tǒng)的收發(fā)綜合響應，記為CR。則有，

圖2 測深儀校準示意圖

2 測量試驗設計

測量實驗在1 m×1.8 m×1 m的水池中進行，測試系統(tǒng)如圖3所示。該測試系統(tǒng)由計算機、數(shù)字示波器、測深儀與標準目標組成。測深儀系統(tǒng)包括電路模塊與換能器，其電路模塊包括發(fā)射信號、信號的A/D轉(zhuǎn)換、功率放大、信號接收、測量放大、信號的D/ A轉(zhuǎn)換等六大部分。將測深儀安裝固定在回旋裝置之上，利用繩子懸掛Φ38 mm的鎢鋼球體，使得球體在測深儀換能器的聲軸上。測深儀的工作頻率為220 kHz，其換能器的形狀為圓面活塞，輻射面直徑為35 mm。遠場測試距離約為14 cm。

圖3 HPCTB-200-35型測深儀收發(fā)綜合響應校準系統(tǒng)

測量測深儀收發(fā)綜合響應的步驟如下：將測深儀探頭安裝固定在運動裝置上，該運動裝置需有升降、左右平移、回轉(zhuǎn)與俯仰等功能；將標準目標懸掛在HPCTB-200-35型測深儀換能器的聲軸上，兩者之間的距離滿足彼此的遠場條件；采集回波電壓，每次測量至少采集 3組數(shù)據(jù)；根據(jù)公式（8）即可得到HPCTB-200-35型測深儀的收發(fā)綜合響應。

3 校準結(jié)果與討論

3.1 校準結(jié)果分析

按照上節(jié)中所述的測量步驟，對測深儀進行測量，得到了不同距離下測得的系統(tǒng)綜合響應，如表1所示。

表1 不同距離測得的系統(tǒng)綜合響應

測試距離從50～85 cm，均滿足目標與測深儀的遠場要求。測深儀電路模塊所產(chǎn)生的發(fā)射信號長度為0.3 ms，發(fā)射頻率為220 kHz。經(jīng)計算此時鎢鋼球的目標強度為–40.03 dB[3]。將回波電壓的有效值、測試距離以及標準目標的目標強度代入公式（8）即可獲得HPCTB-200-35型測深儀的收發(fā)綜合響應CR。由表1可知，不同距離下，測量的系統(tǒng)綜合響應差別不大，最大相差0.48 dB，表明利用標準目標測量測深儀系統(tǒng)的綜合響應具有較高的穩(wěn)定性。

3.2 測量不確定度分析

為不失一般性，采用目標強度計算偏差的最大值作為計算不確定度，其結(jié)果為：

通過6次重復試驗和對B類誤差源進行分析以及合成不確定度公式可得，uc(Ur)=0.095 5 V，uc(r)=0.006 m。

利用合成不確定度公式計算收發(fā)綜合響應的合成不確定度[11]，其值為：

工業(yè)上，通常采用擴展不確定度來表示測量不確定度，當k=2時，其擴展不確定度u為：

3.3 與標準水聽器法比較

標準水聽器法，即使用標準水聽器，分別測量測深儀的聲源級與接收靈敏度，兩者之和即為收發(fā)綜合響應。利用杭州應用聲學研究所的標準裝置對測深儀所用換能器的發(fā)送響應與靈敏度進行校準。測得的靈敏度為–176.7 dB (re 1V/μPa @220 kHz),發(fā)送響應為 161.4 dB (re 1μPa?m/V @220 kHz)。而加在測深儀換能器兩端的電壓為 277.3 V(均方根值)。因此，可計算此時的CR為 33.6 dB，這與標準目標法測得的結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

收發(fā)綜合響應是衡量測深儀系統(tǒng)性能的一個重要的聲學參數(shù)，通過對收發(fā)綜合響應的測量能夠估算出測深儀的最大作用距離。常規(guī)的水聽器法采用分離的方式，分別測量測深儀的發(fā)射參數(shù)與接收參數(shù)，其本質(zhì)都是為了評估其收發(fā)綜合性能或最大作用距離。本文分別采用標準目標法與標準水聽器法，對HPCTB-200-35型測深儀的收發(fā)綜合響應進行校準，兩者的測量結(jié)果偏差為0.2 dB，證明了標準目標法的有效性與正確性。而標準目標法，擁有測試更為簡便、適合外場試驗等優(yōu)點，因而，具有較廣的應用前景和較大的應用價值。