基于LabVIEW的换能器辐射声场自动测量系统

王伟印 陈毅 王世全 贾广慧

（第七一五研究所，杭州，310023）

换能器的辐射声场分布是衡量换能器性能状态的一个重要指标，目前大多采用水听器扫描法对其进行测量。但该方法需要对声场分布进行逐点扫描测量，手动测量不仅费时费力，还会给测量数据带来误差。因此，有必要设计一套自动测量系统，以实现换能器声场分布的高效、自动测量。

传统的测量系统软件大多采用VB或VC编写，对编程人员的能力要求较高，且开发周期较长。随着虚拟仪器技术的发展，LabVIEW 被越来越多地应用到测量控制系统中，与 VB 、VC 相比，其具有上手快、开发周期短、软件界面形象生动等优点[1]。本文利用LabVIEW设计了一套换能器辐射声场自动测量系统。该系统不仅能够有效提高测量效率，减轻测量人员的工作强度，而且具有调试方便、可靠性高、可移植性强的特点。目前，该系统已在实际测量中得到应用。

1 声场测量基本原理

换能器辐射声场的测量方法主要可分为水听器扫描法和光学法，本文只对水听器扫描法的测量原理作简要介绍。

水听器是换能器辐射声场测量系统中的核心器件，它主要用于接收水中声压信号，并能在声压信号的作用下，产生相应的电压信号，两者之间的关系为：

式中，M为水听器的接收灵敏度；(x,y,z)为声场中任意一点；t为瞬时时间；U(x,y,z,t)为水听器的电缆末端输出电压；P(x,y,z,t)为作用在水听器敏感元件上的瞬时声压。

将水听器安装在高精度三维扫描运动机构上，借助于运动机构在水下声场中逐点运动，测量并记录各点处的水听器输出电压。然后根据公式（1），在M已知的情况下，可求得各点处的声压值，从而获取换能器在水下的辐射声场分布[2]，其原理示意见图1。

图1 水听器扫描法原理示意图

2 声场自动测量系统设计

2.1 硬件系统设计

自动测量系统的硬件部分主要由水声信号发射系统、水声信号测量系统以及扫描回转机构组成，其总体结构示意图如图2所示。

图2 硬件系统总体结构示意图

图中，水声信号发射系统由信号源、功率放大器、发射换能器组成，它的主要功能是向水中发射测量所需的脉冲声波；水声信号测量系统由水听器、前置放大器、滤波器、示波器组成，用于对信号进行采集分析；扫描回转机构则主要是为水声换能器提供安装位置，并控制换能器在水池中的三维移动及旋转。

2.2 软件系统设计

自动测量系统的软件部分利用LabVIEW编写完成，因其具有强大的仪器驱动库，能实现和多种仪器的连接。软件设计流程图如图3所示，软件前面板如图4所示，软件后面板即程序部分如图5所示。整个软件系统可分为三个模块：信号源控制模块、示波器控制模块、电机控制模块，下面分别对各个模块的设计过程作简要介绍。

图3 软件设计流程图

图4 软件前面板

图5 软件后面板

2.2.1 信号源控制模块

换能器辐射声场自动测量系统中采用的信号源型号为KEYSIGHT 33612A，该型信号源可通过多种接口与上位机进行通信。考虑到系统软件与现有测试系统的兼容性，本文采用GPIB通信方式对信号源进行控制。

NI(National Instruments)官网上提供的33612A驱动程序，它将信号源的通道、触发方式、频率、幅值、波形等功能参数封装成相对应的子VI，可以多次调用而不用重复编程[3]。根据实际测量中的需求，在 LabVIEW 中依次调用了驱动程序中的Initialize、Configure Standard Waveform、Configure Burst等子VI完成对信号源控制程序的编写。通过调用信号源控制模块，计算机能够控制信号源生成频率、幅值等各参数可调的脉冲或连续波形。信号源模块的控制程序如图6所示。

图6 信号源模块的控制程序

2.2.2 示波器控制模块

与控制信号源类似，利用示波器所对应的驱动程序，根据实际需要依次调用驱动程序中封装好的子VI，完成示波器控制程序的编写。通过调用示波器控制模块，计算机能够控制示波器的通道、量程、延迟时间、时基等参数，对被测信号进行采集。

为了获取被测信号的幅值和相位信息，本文利用LabVIEW函数库中的单频测量函数对被测信号进行了FFT分析，并将得到的幅值和相位数据自动保存到Excel表中。同时，还在示波器控制程序中设计了根据实际信号幅值自动调整示波器量程的程序，以使测量结果更加准确、测量过程更加智能。示波器的部分控制程序如图7所示。

图7 示波器模块的控制程序

2.2.3 电机控制模块

换能器辐射声场自动测量系统中采用的三维运动机构能够精确控制换能器或水听器在水箱中的位置移动及旋转。为了满足实际声场测量中自动扫描的需要，本文对运动机构中的电机进行了程控。

计算机与电机控制单元之间通过 USB转RS232串口线连接，根据厂家提供的modbus通讯协议进行编程。结合实际需要，依次设置好加减速系数、运行速度等参数，实现对电机正转、反转、急停等动作的控制，进而控制运动机构的三维运动及旋转。现以控制运动机构向右移动为例，给出其控制程序如图8所示。

图8 电机控制模块中的右移程序

3 声场仿真与实验

为了检验换能器辐射声场自动测量系统的可行性，本文对直径2.6 cm、工作频率180 kHz的圆面活塞换能器的声场分布进行了理论仿真，然后利用设计的自动测量系统对该换能器的声场分布进行了实际测量，现对仿真与测量过程作简要介绍。

设在无限大平面障板上嵌有一个半径为a的圆面活塞换能器，静止时换能器表面与障板表面在同一平面上，当活塞以速度u=uaejωt振动时，换能器将向障板前面的半空间辐射声波[4]。以活塞中心为坐标原点，活塞所在的平面为xOy平面，过坐标原点且垂直于活塞平面的直线为z轴，建立坐标系如图9所示。

图9 圆面活塞换能器辐射示意图

由瑞利公式可得活塞声源在空间任意一点处的声压表达式为：

式中，ρ0、c0分别表示声场中传播介质的密度和声速；k表示波数；h表示面元ds到点P的距离，其数学表达式为：

取a=2.6 cm，频率f=180 kHz，距离z=3 cm，根据式（2）、（3）对换能器的近场声压分布进行仿真，得到的声场分布如图10所示。

图10 声场分布仿真结果

图11 声场分布测量结果

在对声场的实际测量中，使用的水听器为探针水听器。将水听器放置在距换能器辐射面3 cm处，运用自动测量系统，在以换能器声轴为中心的 4 cm×4 cm平面上进行扫描，步进间距0.1 cm，共测量1 600个点，用时约1 h，得到的声场分布如图11所示。

对比图10与图11可以发现，实验测量结果与理论仿真结果十分一致，但两者之间也存在一定的偏差：实际测量出的声场旁瓣并不像仿真结果那样呈现规则的圆形，边缘没有仿真结果清晰，且实际旁瓣大小比仿真结果略大。分析认为，出现偏差的原因可能是由于换能器不同阵元间振动不一致、安装位置偏差以及换能器与水听器距离调整误差、换能器辐射声场自动测量系统的测量误差等多方面因素导致。后续工作中，将致力于提高测量系统的测量精度，并进一步优化软件，使声场测量结果更加准确、测量速度更加快速。

4 结束语

本文研究了一种基于 LabVIEW的换能器辐射声场自动测量系统，给出了利用该系统测出的换能器在水下的辐射声场分布，并将测量结果与仿真结果进行了对比。通过本文的研究可以得到如下结论：

（1）本文系统可以对换能器的辐射声场分布进行快速、自动测量，测量结果准确可靠。

（2）与常规的采用VB、VC语言相比，借助于LabVIEW不需要太多的编程经验，就能够在短时间内开发出一套自动测量系统，适用于自动测量系统的快速搭建。

（3）本文设计的自动测量系统，每小时能扫描约1 800个数据点。当被测声场面积较大时，被测数据点较多，以7 200个数据点为例，则一次完整的声场扫描测量需要近 4 h，耗时较长。因此，如何在保证测量数据准确的情况下，进一步提高声场扫描速度，将在后续工作中研究。