第二章 水声换能器及水声测量.pdf

第二聿水声换辘及水越慢一、制重用水户换犍器叵二、产学制量仪器及殁备回三、水户换犍器电户惟俄参照制量8、其它水声制量的容介殆叵、测量用水声换能器1、水听器.2、水声发射换能器区1、水听器(1)分类(2)参数(3)GB/T4128-1995(4)国内外典型水听器介绍(5)使用与维护(1)分类根据其用途和校准的准确度根据其使用材料根据其用途和校准的准确度分为两级:a、一级标准水听器建立水声声压基准，并通过它传 递声学量单位。绝对法校准。b、二级标准水听器（测量水听器）用作实验室中一般测试。比较法 校准。根据其使用材料可分为：a、压电式：压电材料有硫酸锂单晶体、偏锯酸 铅或错钛酸铅一类的压电陶瓷。后来又出现复合压电材料聚偏氟乙 稀压电薄膜(PVDF)制作的水听器。b、动圈式(电动式)c磁致伸缩式d光纤式(2)参数水听器接收灵敏度水听器的指向性 水听器的电阻抗动态范围水听器接收灵敏度水听器自由场电压灵敏度:水听器在平面自由声场中输出端的开路电 压与声场中放入水听器之前存在于水听器声中心位置处自由场声压的比值。“箸,单位以水听器声压灵敏度:水听器的指向性指向性响应图指向性指数 指向性因数水听器的指向性图表示远场传来的平面波入射到水听器 接收面上的平均声压随入射方向变化 的曲线图，或者说，它是水听器在远 场平面波作用下，所产生的开路输出 电压随入射方向变化的曲线图。指向性响应图参数波束宽度和旁瓣级 波束宽度：主瓣或主声束两侧的两个方向之间的夹角。28_3dB 2。_6dB 2e_dB旁瓣级:9018cp27CP指向性指数E3和指向性因数Re指向性指数和指向性因数是用来度量指向性图主瓣或主波束 的尖锐程度的特征参量，也是声呐方程的一个重要参数。对于水听器，其指向性因数代表定 向接收器输出端的信噪比比无指向性接 收器输出端的信噪比提高的倍数。/=10坨魇水听器的电阻抗指在它的输出端测得的等效电阻抗（或电导纳）。在某频率下加于换能器电端的瞬时电压与所引 起的瞬时电流的复数比。换能器电阻抗的倒数称 为换能器的电导纳。动态范围水听器的过载声压级与等效噪声声压级之差。水听器的过载声压级引起水听器过载的作用声压级。水听器的等效噪声压级水听器主轴方向入射的正弦平面行波使水听器产生的开 路电压等于水听器实际输出的带宽1 Hz的开路噪声电压 时，则该声波的声压级就是水听器的等效噪声声压级。(3)GB/T41 28-1 995，二级标准水听器声学性能指标灵敏度指在水听器输出电缆末端测得的声压灵敏 度或自由场低频灵敏度。按照国家标准规定用于1 Hz1 00kHz频率范 围的压电型标准水听器(以下同)：一戮：不低于-205dB(OdB re lv/u Pa)二级：不低于-21 0dB(OdB relv/u Pa)自由场灵敏度频率响应 自由场灵敏度频响相对于声压灵敏度在整个使 用频率范围内，至少有三个十倍频程范围：一级：其灵敏度的不均匀性小于土 1.5dB,在其他频率 范围内灵敏度变化不超过+6dB或-1 0dB o 二级：其灵敏度的不均匀性小于2dB,在其他频率范 围内灵敏度变化不超过+6dB或-1 0dB o灵敏度校准及其准确度 低频段应用国标GB41 30-84中规定的一级校准方法进行 校准，其校准准确度优于0.5dB；高频段应用国标 GB3223-82中规定的互易法进行校准，其校准准确度应 优于 0.7dBo 低频段应用国标GB41 30-84中规定的二级校准方法进行 校准，其校准准确度优于l.OdB；高频段应用国标 GB3223-82中规定的比较法进行校准，其校准准确度应优于 1.5dBo指向性一级：水平指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于30。,在选定方向（或主轴）士5。的范围内灵敏度变化应小于0.2dB。垂直指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于15。，在选定方向（或主轴）2。的范围内灵敏度变化应小于0.2dB。二级：在使用的频率范围内，其水平指向性图与理想的全指向性图 的偏差应小于2dB。动态范围 一级：在60dB的动态范围内，非线性偏差应小于0.2dB。二级：在60dB的动态范围内，非线性偏差应小于0.5dB。稳定性时间稳定性：每年校准一次，其变化应在校准准确度以内。温度稳定性：在040昭温度范围内，灵敏度变化应小于0.04 dB/o 在在403温度范围内,灵敏度变化应小于0.05 dB/o 静压稳定性：04MPa工作静压范围内，灵敏度变化应小于0.3 dB/MPao04MPa工作静压范围内，灵敏度变化应小于0.4 dB/MPa其他技术要求机械性能要求：水听器暴露于水中的所有金属和非金属部件都要采用耐腐蚀材料制作。水听器的参考声中心位置及测量方向要有明显标志。水听器相对于它的周围媒质应是声学刚性的。电学性能要求：对于不带前放的水听器，在电缆端测得的绝缘电阻应大于100M。（测试电压不 小于100V）o 高阻抗的敏感元件应有电屏蔽。连接电缆应不少于10m,当敏感元件的电容量小于连接电缆的电容量时一般应连 接前置放大器。(4)国内外典型水听器介绍 国内：RHS、RHC和RHA系列 国外：81 00系列（5）使用与维护：合理选择水听器.标准水听器每年应经计量部门检定一次。检查水听器的绝缘电阻时，试验电压不小于1 00v。注意存放环境。用完后妥善保管水听器的压电元件电容值不可低于水听器连接电缆本身 的电容值。所以选用低分布电容电缆。2、水声发射换能器(1)分类同水听器。无光纤式，但稀土材料的发射换能器是一种 新型换能器。(2)参数：发射换能器发送响应发射换能器指向性发射换能器电阻抗 输入电功率、发射声功率和电声效率发射换能器发送响应:发送电压响应发射换能器在某频率下、在指定方向 上的远场中离其声中心某参考距离处的声压 和该参考距离的乘积与加到输入电端的电压 的比值。发送电流响应 发送功率响应发射换能器的指向性发射指向性图是表示它在自由场中 辐射声波时，在其远场中声能空间分布 的图象。换能器的发射指向性图会随发射信 号频率的改变而变化，即同一发射换能 器当发射不同频率的信号时，其辐射声 能在空间的分布是不同的.发射指向性因数和发射指向性指数在参考方向上（通常指声轴向）远场 中某点的声强（或声压有效值平方）与相 同距离上各方向的声强平均值（或声压有 效值平方的平均值）之比为发射指向性因 数，此比值的分贝数称为发射指向性指数。输入电功率、发射声功率和电声效率输入电功率是其功率源吸收的有用功率。发射声功率是其在单位时间内向介质声场发射出的有效声能量。电声效率是其输出声功率与输入总电功率的比值。换能器的电声效率实际上也等于其机电效率与机声效 率的乘积。(4)发射器介绍实验一声学仪器认知实验一、实验目的通过本实验掌握声学常用测量仪器的使用方法，并 了解声学测量实验应该满足的条件要求和实验室进行实验 时的注意事项。二、实验内容与要求：1、内容I 单台演示各测量仪器的功能戈弗连接成测量系统演 示水声信号。2、要求教师操作并讲解，学生提问并自己动手操作。测量设备简介1-1 B&K271 3（功放）FEATURES:O 100V(RMS),1 A int o capacit ive lo ad)Freq uency range 10 Hz t o 200 kHz)0 t o 60dB vo lt age gain in six 10dB rangesI 增益旋钮 输入端L电源开关电源开关指示灯II|输出端I输出监测口 输出量程选择过载指示灯1-2 YE58 71100VA,10V-10A 10Hz-10kHz 增益：高阻抗-8A/V 低阻抗-5V/V输出电压 电流指示 表盘电源开关输出输入增益旋钮（连续）阻抗选择2-1、B&K1 027（信号源）2Hz200kHz频率输出旋钮频率显示仪表功能选择仪表平均 仪表 时间选择频率显示位数|电源开关 清除命令频率调整信号类型选择压缩信号 输入端频率选择2-2、GFG301 5（信号源）郭慧选择及频率、调整旋钮W田但胴整 4正弦波，方波，三角波，脉 冲波，AM,FM,扫描功能，触发触发设置外触发输出3 B&K4440（选通门）输入：0.3-1V最大输出：15V/1Q重置选择重复周期触发选择增益:20dB电源开关延迟时间门信号宽度脉冲宽度4-1 B&K261 0（测放）滤波器2Hz200kHz-30-110dB 10|jV-30V输入放大选择输出放大选择前放输入端电源开关平均时间校准输出端指示端输入选择输入端4-2 仿 B&K261 0（测放）5-1 B&K1 61 7（滤波器）2Hz200kHz滤波选择旋钮平均时间控制1/3倍频程1/1倍频程 线性输出输入倍频程选择频率范围 选择滤波控制模式5-2滤波器增益:110频率选择：1、2、5、10、20、50、100、200、500、1k、2k频率选择：10、20、50、100、200、500、住、2k、5k、10k、20k三、水声换能器电声性能参数测量1、测量条件叵2、脉冲声技术叵3、选场判据口4、水声换能器电声性能参数测量01、测量条件(1)基本概念(2)自由场的建立(3)其它测量条件(1)基本概念自由场均匀各向同性的媒质中，边界影 响可以不计时的声场.(2)自由场的建立(i)天然水域自由场条件:水域应有足够的空间，以便从边界反射回来的干扰能 用脉冲声技术、消声边界或长距离传输等方法消除；应有很低的噪声环境，以保证测量所需的信噪比；在水介质中要避免有可能引起折射和散射的任何因素,诸如流、温度梯度、海洋生物、气泡和污物等；远场自由声场中，离声源远处瞬时声压 与瞬时质点振速同相的声场。近场自由声场中，声源附近瞬时声压与 瞬时质点振速不同相的声场。要有良好的气候条件，以保证测量的顺利进行和便利;在高频和超声频范围测量时，水深通常小于20叱 对1 kHz以下的频率，水深应大于20m。(ii)实验室自由场条件:消声水池非消声水池采用脉冲声技术(3)其它测量条件(i)远场条件;(ii)供电要求在天然水域测量时，供电可由岸上码头供电电网担负,也可由测量船本身担负，无论选取哪种供电形式，都需要 在测量中采取供电分级管理和节点开关控制的措施，以保 证测量中的正确供电和精密仪器的安全使用。八脉冲声技术1、原理2、实现方法1、原理利用正弦填充矩形脉冲信号或不同于连续单频 信号的短促脉冲信号激励发射换能器,并控制接收 系统使其只在脉冲声信号从发射器直达水听器的那 一段时间内接收和测量,而在此段时间之前到达的 脉冲电信号（如电串漏信号）或此段时间之后到达 的脉冲声信号（如从水面、水底、池壁或支架等反 射的信号）将被接收系统拒绝接收,这样即可将被 测有用信号与不希望的噪声信号在时域上分离开来,从而形成时间域上的自由场。(1)电串漏信号：电或电磁的信号，经非声学途径传播，是发 射与接收系统直接电耦合所至，可能是接地 线不妥当或水听器屏蔽不好。(2)直达信号：经声传播时间延迟后到达，由于电子设备和 换能器滤波特性，致使直达脉冲信号形状产生畸 变。(3)反射信号：由于各种反射途径均比直达声程远，因此各 种反射波均在直达声后面出现。发射与接收波形工作示意图水面2、实现方法（1）脉冲宽度（工）的选择（I）避免边界影响-dr-（Vt/2+52-d1T=1弯S劭/(加匕)ds式中:活塞发射器表面振动幅度活塞上面元到观察点的距离水中声速水的密度面元面积(i)远场特性c 2p(r,t)=j史詈 2r2 J1(ka sin 0)ka sin 0j(cot-kr)式中：a活塞发射器半径;(ii)近场特性smrLr活塞面中心点处,r=0时(ka u Jp(O)=2pcuQ sin=2pcuQ sin(nau J2a=2 n，2 =。2a=(2+l),p 0=2 p cu 0p圆面活塞中心点处声压 根据a与人之间关系 可以确定可大可小。b在活塞法线上声压幅值极大极小点处-r=n7ln=0,1,2 p=0k22.2+a-r(+7C2jn=0,1,2 p=max在法线上将会出现声压极大、极小值的交替分布现象离发射面最远处声压极大值点对应于n=0即a2 2 r0=T-4这表明，最后一个最大值的位置恰好是边缘声线和轴向声线程差为的点，超过此点，活塞面上任何两个元波到达法线上点的程差都小于,声压幅值变为单调的减小，于是声场逐渐进入弗朗霍夫尔区。在此点附近，声压幅值变化很缓慢，类似于平面波。a时,接近远场区（分析近场公式）p=2pcu0 sin2.2 1+a-r/),_ 2 4口 7 a aV r+Q=r H-7+,2r 8 r3若2 4a a2r 8r3时，即ar2则p=Ipcu sinka24r=2pcu0sinfe222rp(r,t)=jo)2-pup 2JX ka sin 0)i(cot-kr)2rka sin 0当口很小时,若ka2 1-a-2、rca r-2代表一定误差下对强度的要求;（项式展开舍去iWj次项）代表一定误差下对相位的要求;（正弦函数用小角度代替）近似于圆形或方形活塞r 面积/波长r 最大线度尺寸对于其他情况，判据r 最大线度尺寸Lr 1_2/人声场误差小于0.5dB四、水声换能器电声性能参数的测量1、分类叵2、水声换能器电阻抗特性测量方法叵3、水声换能器指向性测量方法口4、水声发射器发送电压响应测量方法叵5、水听器自由场电压灵敏度测量方法W1、分类(1)收发合置换能器：此类换能器既作发射器，又作接收器，在单一 频率或窄频带内工作。主要性能指标是：自由场电 压灵敏度、发送响应、电阻抗特性、谐振频率、带 宽和指向性图等。(2)水听器：此类换能器只作接收器，用于接收各种水中信 号。主要性能指标是自由场电压灵敏度、指向性图、带前放水听器的等效噪声压级以及拖曳线列阵水听 器的速度灵敏度等。(3)标准换能器：包括标准水听器、标准发射器和互易换能器 等。主要性能指标是自由场电压灵敏度、电压或 电流发送响应、指向性图、电阻抗以及带前放水 听器的等效噪声压级等。(4)测量用辅助换能器：对这类换能器要求并不严格，无须进行精确 校准。主要性能指标是指向性图和阻抗，有时也 需要大概给出灵敏度级和声源级等。2、水声换能器电阻抗特性测量方法(1)测量目的 为换能器同发射机或接收设备连接提供阻抗匹配 数据；用于计算换能器的电声效率和根据电流计算其驱 动电压；利用测得的阻抗或导纳曲线分析换能器的机械振 动特性和声辐射傅性；通过换能器阻抗测量研究声纳基阵中各基元间的 互辐射影响。(2)换能器阻抗特性 以压电式为例：Z，=Z.+zr1ZM=RM+j3mM+7JC 乂z Y=Ry*jcomrZb阻挡阻抗Zd动生阻抗 一机电转换系数.L=Gd+jBd11 Z R,+j Xh a a J b-Q-_&_d RHBd=-x d Rx：0jBdiRdGd(3)换能器阻抗特性曲线测量方法小信号激励下测量方法 大信号激励下测量方法小信号激励下测量方法I测量原理：换能器放入自由声场中，在换能器两端加激励电压函,相应流过换 能器的电流是随，它们之间的相位是蝎，这样有：Gt=Fcos(pFBt=f sin(p Ufu F(=cos(pF【FXt=J sm(pF/FII测量装置阻抗分析仪HP4294A/41 92PV50A/PV70APV50AHP4294A Piexovirv西 1 1中文p5 或 睇止Nu，r w.naiwr t_ r_|omo)q 巾 afTwza_ r_p OOTW at f)OI 2W3 砂心fTwTllllllllllllllllX(MVrt 55 2 KiAf rw jxc e xcfOCTiT-反*功率京P2JT$8 0 Kx14aM4 1勒&电SI Ubf F2-nROI OI _ 4)-Kffoop 3moifottT段6电Sa|TM?22oTtSw-H的电国rrZati X12I tJ|35 629Fs：40.32 Fp：43.76 Om：7G5 RI：9.0D CT：3641 pFZ I 29T C5 4 Fki 仍 Ml MC f|2ieO-1b 含格条件|包存、玄!i.但存保例既曾存吩t|,&1）导纳坐标系GBF坐标曲线:2）阻抗坐标系RXF坐标曲线:3）阻抗极坐标系Z9F坐标曲线:200000.00ohm90 DEG1100000.0135000.0 F(Hz|-200000.00ohm-90 DEGI4）导纳极坐标系Y。F坐标曲线:5)对数极坐标系Z 0FY0 F坐标曲线:100.0090 DEG单谐振多谐振in测量结果及分析 电导纳频率特性曲线MN损耗线 ABGt总电导 CBG b静电导 ACGd动电导夕=力力半功率带宽3、水声换能器指向性特性测量方法CGB7965-87J（1）测量方法发射器指向性测量d发射器将待测发射换能器安装在测量回转杆上,标准水听器置于待测 发射换能器声轴方向的远场。回转杆必须通过换能器的有效声中心,否则发射器和接收器间距必须比有效声中心和转轴间距大100倍。发射器和接收器的间距要满足远场条件。将频率为待测发射换能器谐振频率f的电信号加到待测发射换 能器上,且保持加到换能器上电流（或电压）恒定（即保持发射声场稳 定不变）。转动待测换能器,记下发射换能器不同方位上水听器输出 电压值。水听器指向性测量发射器d将待测水听器安装在测量回转杆上,回转杆必须通过换能 器的有效声中心，否则发射器和接收器间距必须比有效声中心和 转轴间距大100倍。发射器和接收器的间距要满足远场条件。将频率为待测水听器相应工作频率赧电信号加到辅助发射 器上，且保持其发射声场恒定不变。转动待测水听器，记下各个 方向上水听器的输出电压。如果用自动记录仪,转动时不能太快。手动时,要注意角度误差和极值位置（如果回转系统有回差,要朝 一个方向转）。(2)实验室指向性测量系统GFG3015YE5871GOS6050 iYE5810发射器F水听器H(3)指向性测量数据处理归一化处理；绘制图形；极坐标形式或直角坐标形式。指明频率和 定向平面。确定波束宽度及旁瓣级。4、水听器自由场电压灵敏度和 发射器发送电压响应测量方法(1)测量方法分为一级校准和二级校准两个级别：在一级校准中，可以使用已校准的信号源、放大器、电压表和阻抗电桥等仪表，但不需要已校准的换能器在二级校准中，需要使用已校准的换能器作为参考 标准。为此，二级校准法也叫比较校准法或相对校准法，而一级校准法称作绝对校准法(2)比较法(标准水听器作参考)7 乙尸尸Up Up Pdf pXd 1 MpSftI 口 I 口 dr drF 和 F f p f pzL FXUx _ Ux、Pd-d 1 _ MxSfiF Pdf xdfxd执FMy=MP A rZf zff pd拉f pMpZf pdf p实验室自由场灵敏度测量方法（1）0X e-=X4 Hop e4 e j旦4-AAzp-夕 夕尸-X实验室自由场灵敏度测量方法（2）My=MpA reop实验室发送电压响应测量方法e 1=*xdx，U.Mi p(3)实验室比较法测量系统3015正弦填充脉冲输出信号6外触发信号功放输出端（后面版）O581 0Hx HpLmx(4)比较法数据记录与处理方法水听器自由场电压灵敏度比较校准儿二201隼曳+J(曲)4夕每 与 4 水声发射器发送电压响应测量%=20 吟-J+201ogd（周(5)一级校准方法,互易法_双发射器零值法,振动液柱法,活塞风法互易法自由场互易法球面波平面波 一柱面波、,耦合腔互易法,静态法,行波管互易法球面波自由场互易法i互易定理机电互易定理 声场互易定理 电声互易定理 ii互易常数T 一（球面波场）一2d九PCT 一Jp（平面波场）一2APCT 一（柱面波场）一2Lpc（四测量原理图(1)(2)(3)(4)Mr JzfjzhjrJ|rLJd Fjd HJ7 FHdpHJsMhz z乙FH 乙HJ7乙FJFJJs耦合腔互易法（低频高静水压）FJ(HJ)FF一 FH(Ih原理图第一步：F-J7 j 3j MjPj MjSfiIf=MjSfi?第二步：F-HZfh=MhSfi?第三步：H-JcoVpc 2M H=T=MjShi1h?一耦合腔互易常数=Is（腔）M T=JS FIM HS HI 二行波管互易法有源声负载功放功放相位-幅度控制器信号源相位-幅度控制器硬壁圆管-声源轴对称激励硬壁圆管-声源非轴对称激励3.83 c1.84 c2 7Ta2 7Ta一行波管互易常数M HM TJS FIS HI 二Z fhZ HJZ FJZ FJZ HJZ fhZ FJZ fhZ HJZ fhZ HJZ FJ J S（管）（管），S 1（管）T TJ S（管）(6)测量前准备和换能器布放测量前准备(i)了解测试对象包括：形状、最大工作尺寸、声中心(或几何中心)位置、声 轴方向标记位置等。(ii)了解测试要求包括：被测参数、测量工作频带、测量不确定度等。(iii)选择测试场地(iv)测量辅助设备的准备包括：吊车、行车、升降装置及运输、安装等设备，还有辅助 换能器。(V)测量仪器的准备(vi)换能器的准备换能器的布放i正确安装换能器考虑隔振、辐射面钳位、安装支架声反射 和散射以及安装在同一支架上的费和接收器之 间的直接振动耦合影响。ii选择合适的布放方法主要有对称负载布放法、不对称负载布放 法、不平衡负载布放法。配型块一七=技能Oft也(7)干扰的识别与消除识别干扰自由场的各种因素干扰源声或振动干扰电或电磁干扰主要指:(i)环境噪声和仪器设备噪声与实验场地环境和设备有关，属于无规噪声。检测方法：关闭发射系统，观察和检测接收系 统是否存在该类噪声。(ii)有规则信号干扰来自50Hz电源的基波和它的谐波。检测方法：用示波器直接观察。(iii)电串漏干扰由于发射系统与接收系统对地电位不同而引起的。检测方法：小信号工作状态下将水听器或发射器提 出水面，其他不变，观察接收系统的信号变化。(iv)界面反射及收发换能器之间的驻波干扰由各种反射体引起。检测方法：利用计算判别反射源。(v)气泡干扰各种原因产生的气泡。检测方法：接收声信号大幅度的增长或减小。消除干扰的途径(i)声或电的噪声干扰方法：接收系统中加入窄带滤波器提高信噪比。(ii)50Hz电源的基波和它的谐波方法：正确可靠接地，屏蔽信号线，远离电磁干 扰源。(iii)电串漏干扰方法：整个系统不能多点接地，收发系统不要共地，接收系统各部分有良好屏蔽。(iv)收发换能器之间的驻波干扰方法：破坏反射途径。(v)气泡干扰方法：彻底清洗和浸润换能器，充分泡水。(vi)界面反射干扰方法：采用有指向性水听器。四、其它水声测量介绍1、水声换能器近场测量技术（1）引言球面波修正法平面形或线列形换能器（基阵）的接收灵敏度。亥姆霍兹积分法（DRL法）大平面形、圆柱形和线列形换能器（基阵）的发 送响应、接收灵敏度和指向性图。平面近场校准基阵法（Trott基阵）(2)球画波修正法声程差：Adld2+l2-d则整个工作面的平均声压为:-Po P=T.skl2 e 2d ds即P=PoK声压修正因子K为:满足远场条件的灵敏度为:2、水下目标特性测量(1)概念水下目标特性测量是指对水下目标的声 特性进行测量。水下目标是指水面舰、潜艇、鱼雷、水 雷等。(2)测量内容 舰船(水面舰及潜艇)的辐射噪声测量;舰船的自噪声测量；鱼雷的辐射噪声测量；水下目标的目标强度测量；舰船的回声特性测量；舰船辐射噪声的水下机动测量等。(3)舰船和鱼雷的辐射噪声测量将舰船和鱼雷作为一个点源时辐射噪声的测量接收系统：单个接收器或单个声基阵测量框图一水平指向性垂直指向性声阵舰船辐射噪声空间结构的测量 一用垂直线阵测量潜艇的辐射噪声浮子舰船或鱼雷锚用两条垂直线阵和一条海底布放线阵围成测量区，潜艇通过测 量区时的辐射噪声测量锚