王世全

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，浙江杭州 311400)

1 引 言

水聽器廣泛用于水聲探測、識別、通信以及海洋噪聲測量中，為了保證水聲聲壓量值的準確性，必須對傳遞水聽器和標準水聽器的靈敏度進行校準和測量。

水聽器的校準分為一級校準和二級校準，又稱為絕對校準和相對校準。在100kHz～1MHz頻率范圍內(nèi)，對于標準水聽器的一級校準一般是采用三換能器球面波互易法[1]。通過使用發(fā)射換能器和互易換能器，依據(jù)電聲互易原理便可獲得被校水聽器的靈敏度，但缺點是測量過程比較麻煩，需要進行三組換能器的安裝操作；加之互易法校準受到的影響因素比較多，測量不確定度根據(jù)校準頻率的不同一般為(0.5～0.9)dB[2]。

為進一步降低常壓下水聽器靈敏度校準裝置的不確定度，光學(xué)校準方法引入到水聲聲壓校準中。光學(xué)法用于校準水聽器步驟較為簡便，僅需兩次測量即可得到待校準水聽器的靈敏度，其本質(zhì)上是一種替代校準，因此，該方法不受換能器互易性的影響。英國國家物理實驗室于1988年在(0.5～15)MHz頻段開始使用激光法測量技術(shù)替換傳統(tǒng)的互易法校準[3,4]，并使測量不確定度下降至0.6dB以下。經(jīng)過技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)方法校準不斷向低頻段拓展[5,6,7]。目前，英國國家物理實驗室在著手運用激光干涉法建立100kHz～1MHz頻段內(nèi)的校準裝置，預(yù)期將測量不確定度降低到(0.3～0.4)dB左右。

本文介紹了激光法水聲聲壓校準裝置的校準原理及系統(tǒng)構(gòu)成，并采用激光法對TC4034和BK8103水聽器進行了校準實驗研究，分析了激光法校準裝置的測量不確定度。同時校準結(jié)果與三換能器互易法對校準結(jié)果進行了對比，給出了二者的偏差可能的原因。

2 校準原理

采用光學(xué)法校準水聲聲壓，是通過利用光學(xué)法測量水介質(zhì)中的質(zhì)點振速(或位移)實現(xiàn)的，其校準水聽器靈敏度的原理，如圖1所示。

圖1 光學(xué)方法校準水聽器靈敏度原理示意圖Fig.1 The schematic figure of calibrating the hydrophone using optical method

輔助換能器向水介質(zhì)中發(fā)射聲波，在聲場中距離發(fā)射換能器一定位置處(發(fā)射換能器的遠場，滿足平面波條件)布放反光透聲膜片，激光測振儀的激光束入射到水介質(zhì)中一透聲反光的膜片上，經(jīng)過膜片反射后返回激光測振儀解碼輸出，即可得到膜片的振動幅度量值。理論上可以證明，如果膜片厚度遠小于聲波波長，膜片將跟隨周圍的水介質(zhì)作同相的運動。因此，通過激光測量膜片的振速(或位移)即可得到膜片上激光入射點處水介質(zhì)的質(zhì)點振速(或位移)。當(dāng)膜片處于發(fā)射換能器的聲學(xué)遠場時，根據(jù)平面波假設(shè)，通過測得膜片所在處質(zhì)點振速(或位移)量值，就可得到該點的聲壓量值為

p=ρcu或p=ρcωa

(1)

式中：ρ——水介質(zhì)的密度；c——水介質(zhì)中聲速；ω——角頻率；u——質(zhì)點振速；a——質(zhì)點位移。

移走膜片，將待測水聽器置于膜片所在的位置，測量水聽器的開路輸出電壓Uoc，根據(jù)水聽器靈敏度的定義，即可得到待校準水聽器的靈敏度。

若采用激光測振儀的振速輸出端口時，水聽器的靈敏度為

(2)

式中：Uoc——水聽器的開路輸出電壓；Uopt——激光測振儀的輸出電壓；Ku——激光測振儀的振速靈敏度。

若采用激光測振儀的位移輸出端口時，水聽器的靈敏度為

(3)

式中：Ka——激光測振儀的位移靈敏度。

3 校準裝置構(gòu)成

光學(xué)法水聽器校準裝置的系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。該校準裝置由信號源、功率放大器、輔助換能器、反光膜片、激光測振儀、測量放大器、濾波器、數(shù)字示波器、程控計算機等構(gòu)成。其中，信號源、功率放大器、輔助發(fā)射換能器等構(gòu)成信號發(fā)射分系統(tǒng)，用于產(chǎn)生校準所需的聲場；激光測振儀、測量放大器、濾波器、數(shù)字示波器等組成信號接收分系統(tǒng)，用于信號的采集、調(diào)理和顯示等；另外，還包括測量水池及換能器定位調(diào)節(jié)機構(gòu)等，用于提供校準所需的環(huán)境，實現(xiàn)輔助換能器和待校準水聽器的定位調(diào)節(jié)等。計算機通過接口控制卡實現(xiàn)對各儀表的控制，并對校準數(shù)據(jù)自動采集、處理、存儲和顯示。

圖2 光學(xué)法校準裝置構(gòu)成示意圖Fig.2 The constitution of the calibration facility using optical method

校準系統(tǒng)中，信號源采用Agilent公司的33250，功率放大器采用的是AR75A250A，用以產(chǎn)生并放大信號激勵換能器，向水介質(zhì)中輻射校準用的聲信號。濾波器為NF3628，激光測振儀采用的Polytec公司的OFV5000系列，數(shù)字示波器為Agilent公司的DSO6014。測量水槽長1.4m，寬1m，內(nèi)部鋪設(shè)吸聲尖劈。

4 水聽器校準及結(jié)果分析

被校準水聽器分別為TC4034水聽器和BK8103水聽器，如圖3(a)和圖3(b)所示。其中TC4034水聽器的校準頻率范圍(100～500)kHz，BK8103水聽器的校準頻率范圍為100kHz～1MHz。

圖3 TC4034水聽器與BK8103水聽器圖Fig.3 Figures of the TC 4034 hydrophone and BK 8103 hydrophone

校準時，信號源產(chǎn)生正弦信號，經(jīng)過功率放大器放大后驅(qū)動輔助換能器向校準水池中輻射聲波，反光膜片被安裝在精密升降回轉(zhuǎn)機構(gòu)上。激光測振儀發(fā)射光束入射到該反光膜片上，經(jīng)反射后返回激光測振儀進行測量，得到質(zhì)點位移值，通過計算得到該點的聲壓值；然后用待校水聽器取代反光膜片，使水聽器的參考中心與反光膜片上激光入射點重合，保持發(fā)射系統(tǒng)不變，在相同聲波作用下，待校水聽器輸出開路電壓信號，經(jīng)濾波器進行濾波，再輸入數(shù)字示波器進行采集和計算，得到待校水聽器輸出的開路電壓信號，由標準水聽器靈敏度計算公式，得到被校標準水聽器的自由場靈敏度。改變信號頻率，在待校頻率點上重復(fù)以上校準過程，即可得到整個校準頻段上待校水聽器的靈敏度響應(yīng)。

校準時，輔助發(fā)射器采用直徑40mm和直徑30mm的平面型發(fā)射器，收發(fā)距離為45cm。TC4034校準頻率范圍為(100～500)kHz，校準頻率點間隔為10kHz。BK8103水聽器，校準頻率范圍為(100～1 000)kHz，校準結(jié)果分別如圖4和圖5所示，作為對比，各圖中也分別給出了采用三換能器互易法的校準結(jié)果。

圖4 TC4034水聽器激光法校準結(jié)果與互易法校準結(jié)果比對Fig.4 The comparison of the TC 4034 calibration results between the optical and the reciprocal method

TC4034水聽器自由場電壓靈敏度校準結(jié)果可見，在(100～500)kHz頻段范圍內(nèi)，激光法校準結(jié)果與互易法校準結(jié)果相比，二者總體趨勢一致，在整個頻段內(nèi)激光法的校準結(jié)果整體略低于互易法的校準結(jié)果，二者的偏差在(-1～-0.3)dB之間。

圖5 B&K 8103水聽器激光法校準結(jié)果與互易法校準結(jié)果比對Fig.5 The comparison of the BK 8103 calibration results between the optical and the reciprocal method

BK8103水聽器自由場電壓靈敏度校準結(jié)果可見，在100kHz～1MHz頻段范圍內(nèi)，激光法校準結(jié)果與互易法校準結(jié)果相比，二者吻合較好，在整個頻段內(nèi)二者的偏差在(-0.7～1.0)dB之間。

激光法校準裝置的測量不確定度為0.5dB，其A類不確定度分量由實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到，最大值為0.12dB，B類不確定度分量見表1。作為對比驗證的互易法校準裝置的測量不確定度在100kHz～1MHz頻率范圍內(nèi)的測量不確定度為0.9dB，因此，兩套校準裝置在100kHz～1MHz頻率范圍內(nèi)測量結(jié)果的最大偏差絕對值不應(yīng)大于1.03dB。

表1 B類不確定度分量來源Tab.1 The distributions of B type uncertainties來 源數(shù)值/dB激光測振儀靈敏度引入的不確定度分量0.025激光測振儀輸出電壓測量引入的不確定度分量0.1水聽器開路電壓測量引入的不確定度分量0.1水介質(zhì)密度ρ的查表值引入的不確定度分量0.012水介質(zhì)聲速c的查表值引入的不確定度分量0.012距離測量誤差引入的不確定度分量0.06測量環(huán)境條件引起的不確定度分量0.125發(fā)射信號不穩(wěn)定引入的不確定度分量0.1B類不確定度分量uB0.22

由測量結(jié)果看，激光法校準裝置的測量結(jié)果是正確的，與互易法校準結(jié)果相比，二者的偏差均未超過兩套校準裝置可允許的最大偏差。但是注意到在(100～500)kHz頻段范圍內(nèi)，激光法測量的結(jié)果整體偏低，兩套校準系統(tǒng)之間就像存在一個系統(tǒng)偏差。經(jīng)分析，可能的原因在于：

1)互易校準中換能器互易性的偏差?；ヒ仔手校髶Q能器是互易的，實際校準中換能器的互易性是隨頻率變化的，在這個頻率范圍內(nèi)互易性的偏差可能比較顯著，從而影響到校準結(jié)果；

2)水聽器的空間平均效應(yīng)。激光法校準時，是將激光束聚焦到反光膜片上特點處，測量得到該位置的質(zhì)點振動并進而計算得到聲壓。

水聽器放置到該位置測量其開路輸出電壓，由于水聽器的空間尺寸，存在一定的空間平均效應(yīng)，其開路輸出電壓實際上是水聽器表面所受聲壓的綜合響應(yīng)。以空間一點的聲壓代替了水聽器表面的聲壓，因此，校準的水聽器靈敏度結(jié)果會偏低。另一方面，由于光學(xué)法測量時對聲場的擾動較小，且是測量空間一點處的聲壓，這實際上與水聽器自由場電壓靈敏度的定義[8]的要求是一致的，因此，激光法校準的結(jié)果可能更接近定義值。

5 結(jié)束語

本文開展了激光法校準水聽器靈敏度實驗研究，選取TC4034和BK8103水聽器為研究對象，在100kHz～1MHz頻率范圍內(nèi)分別利用激光法和互易法對兩只水聽器的靈敏度進行了校準。校準結(jié)果表明，激光法校準結(jié)果與互易法校準結(jié)果在各自校準的頻段范圍內(nèi)吻合良好，二者結(jié)果偏差均未超出兩套校準裝置的最大可允許偏差。由于激光法校準時不需要互易換能器，同時利用激光法測量聲壓量值時，由于激光束具有很高的空間匯聚性，因此空間平均效應(yīng)很小，其測量聲壓的條件與水聽器自由場電壓靈敏度定義要求更為接近。同時，這也可能是在該頻率范圍內(nèi)校準時，激光法與互易法結(jié)果存在一個類似系統(tǒng)偏差的原因之一。