空气中矢量水听器相位差测试方法研究

王振 刘振江 项顼 于砚廷 李晔

(山东省科学院海洋仪器仪表研究所1,山东 青岛 266001;山东省海洋环境监测技术重点实验室2,山东 青岛 266001)

空气中矢量水听器相位差测试方法研究

王振1,2刘振江1,2项顼1,2于砚廷1,2李晔1,2

(山东省科学院海洋仪器仪表研究所1,山东 青岛 266001;山东省海洋环境监测技术重点实验室2,山东 青岛 266001)

为解决低频振速型矢量水听器相位差测试中出现的环境、体积受限问题,在分析矢量水听器用声压、振速传感器测试原理的基础上,设计了矢量水听器相位差测试装置。将该装置与驻波管进行对比验证,结果表明该装置可以满足矢量水听器相位差的测试要求,并且在甚低频范围内比驻波管更准确。分别就传感器数量、放置方式对相位差的影响进行测试,分析结果表明,振速、声压传感器的数量以及声压传感器的放置深度变化对相位差测试结果没有影响。

矢量水听器 相位差 振动台 振速 甚低频

0 引言

振速型矢量水听器需要能够同时完成声场中某点处声压和三个正交方向振速的测量[1-2]。为保证矢量水听器的测量准确度,需要对其声压通道和振速通道的灵敏度、相位等参数进行校准。目前已有的矢量水听器相位校准方法主要是在消声水池、驻波管和外场环境下进行的。现有消声水池在2 kHz以下频率范围的吸声效果并不能满足相位测试要求[3];驻波管可以解决矢量水听器的低频校准问题,但对其体积有限制,并且无法测试动圈式矢量水听器的水平矢量通道[4-6];外场受环境因素影响较大,另外校准工作不易实施[7]。

本文设计了矢量水听器相位差测试装置。在振动台基础上,在空气中对振速水听器和放置在液柱中的声压水听器进行相位差测试,从原理、设计实现和准确度分析的角度展开叙述。

1 相位差测试原理研究

为获得矢量水听器矢量、标量通道间的相位差特性,需要分别对其声压水体器以及X方向、Y方向、Z方向三个振速分量传感器的相位进行测量。由于声压信号与振速信号对应的单位不同,因此测得的信号之间必然会存在由单位差异而引起的固有相位差。

1.1 声压、振速水听器测试原理

对于声压水听器,其测试原理为外界声波传递到水听器时激励其内部压电陶瓷传感元件发生形变进而输出电信号,这就意味着声压水听器必须放置在声音的传播介质中,用声波进行激励来完成测量。而由于声音在空气中的传播衰减性较水中大很多,因此声压水听器的相位测量需要放置在水中来进行。这里使用固定在振动台上的驻波液柱管来对声压水听器进行相位测量。

对于振速水听器,其结构由内部分别沿三个坐标轴方向固定放置的振速传感器和外部刚性水密球壳组成,且振速传感器与外部球壳间保持刚性连接。当声波传递到振速水听器时,首先激励球壳发生振动,然后球壳带动内部振速传感器振动输出电信号,则内部振速传感器仅通过外部球壳的振动来感应外界声波变化。因此,测量振速水听器相位时,可以将其直接放在空气中固定在振动台上,通过振动台激励整个水听器球体来模拟声波的作用。

1.2 相位差测试原理

当液柱高度L大于圆管直径2a时,可将液柱看作短声传输线,管中仅有平面波传播[3]。利用传输线理论可得出管底辐射声压为:

式中:p为水的密度;c为水中声速;L为液柱高度;h为声压水听器在水中深度;a为底座的加速度;v为液柱底座的振速。

由此可知,理想的声压信号p与激励加速度信号a同相位,而比激励振速信号v相位超前π/2。因此,在待测频点处对相同激励下的声压信号与振速信号的相位ψp与ψv做差,再减去固有相位差π/2,即可得到声压、振速之间的相位差Δφ=ψp-ψv-π/2。但是液柱只能在垂直方向形成驻波场。使用上述方法可以测量声压信号与垂直方向振速信号间的相位差,对于声压与水平方向振速信号间的相位差还需要借助于加速度传感器来完成。

根据声压水听器的无矢量性,可先在垂直方向上测得相同激励下声压水听器与加速度传感器的相位差ΔΦ=(ψp-ψa),ψa为加速度传感器信号相位;再测得该加速度传感器与待测振速传感器在水平方向上的相位差Δγx,y=(ψvx,y-ψa),ψvx,y为水平方向振速信号相位,则可计算得到声压水听器与水平方向振速传感器的相位差为Δφ=ΔΦ-Δγx,y-π/2=ψp-ψvx,y-π/2。

2 测试方法的设计与实现

2.1 相位差测试装置设计

在空气中,根据上述测试原理,借助于振动台、激振器、驻波液柱管、信号发生器、采集仪搭建了矢量水听器相位测试装置。装置示意图如图1所示。

在图1(a)中,垂直振动台上固定有驻波液柱管、振速水听器球和加速度传感器,声压水听器放置于填满水的液柱管中。通过调节振动台面使液柱管与振速球支架保持水平。振动台固定在激振器上,用信号发生器来控制激振器的信号输入。测量过程中,声压水听器、垂直方向上的振速传感器以及加速度传感器信号用高精度数据采集仪进行数据采集,并将采集的数据传入上位机进行数据处理。在图1(b)中,振速水听器球和加速度传感器安装在水平振动台上,振动台、激振器、采集仪的连接方式与图1(a)中相同,以完成水平振速相位的测试。

图1 矢量水听器相位测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the phase difference test device for vector hydrophone

2.2 相位差测试方法介绍

测试过程中,首先测量声压水听器与垂直方向振速传感器间的相位差,同时获取声压水听器与加速度传感器间的相位差信息。调节信号发生器使振动台产生所需频率的振动,用采集仪同时采集声压水听器信号、垂直方向振速传感器信号以及水平底座上安装的加速度传感器信号,用上位机对采集数据进行处理以得出此频点处的声压、振速相位差。改变频点,重复以上步骤进行测量,得到待测频段内的声压水听器与垂直方向振速传感器和加速度传感器的相位差信息。然后将振动台调节为水平振动模式,结合上述测量结果进行声压水听器与水平两个方向的振速传感器相位差测量。选择某一个水平方向安装振速水听器球体,如X方向,使其振速X方向平行于振动方向,且加速度传感器方向也与振动方向一致,进行激振与信号采集,得到振速传感器与加速度传感器数据在待测频带内的相位差。利用本文所述的水平方向相位测试方法,便可得到该频段内声压水听器与X方向振速传感器之间的相位差信息。同理,调节矢量水听器球体安装方向使Y方向与振动方向一致。重复上述测量亦可得到声压水听器与Y方向振速传感器之间的相位差信息。

3 测试方法准确性试验分析

利用上述矢量水听器测试方法和装置,与在715所国防水声一级计量站驻波管的相位差测试结果进行了对比验证,并分别就传感器的数量、放置方式对水听器相位特性的影响进行了测试分析。测试频率范围为20～100 Hz,间隔为5 Hz(考虑电磁干扰的原因,去除了50 Hz频点)。

3.1 相位差测试结果对比分析

为验证本文提出的矢量水听器相位测试方法的准确性,首先将所用水听器在715所驻波管中进行了相位差测试,参照标准为JJF 1340-2012《20～2 000 Hz矢量水听器校准规范》,环境条件为:水深0.14 m,水温23℃,室温25℃[8-10]。由于驻波管和矢量水听器的结构特点,该测试仅能测得声压与垂直振速通道的相位差。将该测试结果与本文测得结果进行了对比,对比结果如图2所示。从图2可以看出,除去20 Hz处两者测试结果相差大于10°以外,其他频点处差值均在5°以内,并且趋势相同。产生差异的原因主要是驻波管在甚低频区域驻波场的不稳定,本文测试结果相比较更为准确。另外,由于本文所测矢量水听器中采用的振速传感器在10 Hz处存在共振峰值,而声压传感器在20～100 Hz范围内无共振频点,因此在10 Hz处相位差数值应接近-90°,大于10 Hz时的相位差数值接近于0°,这在图2中有所体现。

图2 空气中相位差测试与715所测试结果对比图Fig.2 Comparison of phase difference test results in the air and the results taken in No.715 Research Institute

3.2 传感器数量、位置因素试验分析

针对测试所用的振速型矢量水听器的结构特点(振速水听器由每个坐标轴方向上的两个振速传感器串联而成;声压水听器由四个声压传感器并联组成),分别对振速、声压传感器数量变化对水听器相位特性的影响进行了分析。

首先在声压水听器不变的情况下对振速球、串联两个振速传感器和单个振速传感器的声压-振速通道相位差进行了测量。图3给出了振速通道传感器数量变化对相位差的影响测试结果。从图3可以看出,振速传感器数量变化对矢量水听器声压-振速通道相位差特性没有影响。

图3 振速传感器数量对矢量水听器相位差的影响示意图Fig.3 Influence of the quantity of vibration velocity sensors to phase difference of vector hydrophone

然后又在振速水听器不变的情况下,对单只与四只并联声压传感器的声压-振速通道相位差进行了测量,结果如图4所示。从图4可以看出,声压传感器数量变化对矢量水听器声压-振速通道相位差特性也没有影响。

图4 声压传感器数量对相位差的影响示意图Fig.4 Influence of the quantity of sound pressure sensors to phase difference

在使用驻波液柱管测量声压水听器的灵敏度时,水听器入水深度会引起测得的灵敏度数值发生变化,因此要求声压水听器的入水深度保持一致。为分析该入水深度对声压水听器相位特性的影响,将四只声压传感器分别放置在液柱管的四个不同深度进行测量,图5给出了该测试结果。

从图5可以看出,深度变化对矢量水听器声压-振速通道相位差特性也没有影响。

图5 声压传感器深度变化对相位差的影响示意图Fig.5 Influence of the placing depth of sound pressure sensor to phase difference

4 结束语

在分析声压、振速水听器测试原理的基础上,提出了一种利用振动台激励来测量低频振速型矢量水听器的声压与垂直、水平振速通道间相位差的方法。将该方法与水声一级计量站的测试结果进行了对比,并就传感器数量和放置方式对相位差结果的影响做了分析。结果表明,本文的相位差测试方法在100 Hz以下的甚低频范围内比驻波管测试结果更准确;振速、声压传感器数量变化及声压传感器放置深度变化对相位差测试结果均没有影响。

[1] Smitha K B.Effects of shear waves on boundary-coupled vector sensors[J].Journal of Acoustical Society of America,2008,124(6): 3464-3470.

[2] 时胜国,杨德森,洪连进.同振球型矢量水听器声波接收理论研究[J].声学学报,2009,34(1):30-38.

[3] 国防科工委科技与质量司.声学计量[M].北京:原子能出版社,2002:132-133,169-177.

[4] 费腾,徐平.矢量水听器的低频相位校准方法[J].声学与电子工程,2006,49:85-86.

[5] 陈洪娟,赵鹏涛.10～100 Hz矢量水听器校准系统研究[J].声学技术,2008,27(5):526-527.

[6] 师俊杰,孙大军,吕云飞,等.甚低频矢量水听器水池校准方法研究[J].兵工学报,2011,32(9):1106-1112.

[7] Carpentera R,Silviab M,Craya B A.The design of a broadband ocean acoustic laboratory:detailed examination of vector sensor performance[C]//Proc.of SPIE.2006,6231:1-12.

[8] 国家质量监督检验检疫总局.JJF 1340-2012 20 Hz～2 000 Hz矢量水听器校准规范[S].北京:中国质检出版社,2012.

[9] 孙贵青,杨德森,张林,等.矢量水听器在水下目标低频辐射噪声测量中的应用[J].哈尔滨工程大学学报,2001,22(5):5-19.

[10] 贾志富.同振球型声压梯度水听器的研究[J].应用声学,1997, 16(3):20-25.

Study on the Test Method for Phase Difference of Vector Hydrophone in the Air

In order to solve the restriction problems of environment and volume appeared in phase difference test for low frequency vibration velocity type vector hydrophone,the test device for phase difference of vector hydrophone has been designed on the basis of analyzing the test principle using sound pressure,vibration velocity sensors for vector hydrophone.The inter-comparison verification of this device and standing wave tube is conducted,the result indicates that this device can satisfy the test requirements for phase difference of vector hydrophone and it is more accurate than the standing tube in very low frequency range.The test and analysis with different quantity and placement mode of sensors are carried out;it is found that the vibration velocity,sensor quantity and placing depth of the sensor do not affect the test result of the phase difference.

Vector hydrophone Phase difference Vibration table Vibration velocity Very low frequency

TB565+.1

A

山东省科学院青年基金资助项目(编号:2013QN032)。

修改稿收到日期:2014-01-22。

王振(1982-),男,2011年毕业于哈尔滨工业大学机械设计及理论专业,获博士学位,助理研究员;主要从事机械动力学及振动测试分析的研究。