空氣中矢量水聽器相位差測試方法研究

王振 劉振江 項頊 于硯廷 李曄

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所1,山東 青島 266001;山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室2,山東 青島 266001)

空氣中矢量水聽器相位差測試方法研究

王振1,2劉振江1,2項頊1,2于硯廷1,2李曄1,2

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所1,山東 青島 266001;山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室2,山東 青島 266001)

為解決低頻振速型矢量水聽器相位差測試中出現(xiàn)的環(huán)境、體積受限問題,在分析矢量水聽器用聲壓、振速傳感器測試原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計了矢量水聽器相位差測試裝置。將該裝置與駐波管進(jìn)行對比驗證,結(jié)果表明該裝置可以滿足矢量水聽器相位差的測試要求,并且在甚低頻范圍內(nèi)比駐波管更準(zhǔn)確。分別就傳感器數(shù)量、放置方式對相位差的影響進(jìn)行測試,分析結(jié)果表明,振速、聲壓傳感器的數(shù)量以及聲壓傳感器的放置深度變化對相位差測試結(jié)果沒有影響。

矢量水聽器 相位差 振動臺 振速 甚低頻

0 引言

振速型矢量水聽器需要能夠同時完成聲場中某點處聲壓和三個正交方向振速的測量[1-2]。為保證矢量水聽器的測量準(zhǔn)確度,需要對其聲壓通道和振速通道的靈敏度、相位等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。目前已有的矢量水聽器相位校準(zhǔn)方法主要是在消聲水池、駐波管和外場環(huán)境下進(jìn)行的。現(xiàn)有消聲水池在2 kHz以下頻率范圍的吸聲效果并不能滿足相位測試要求[3];駐波管可以解決矢量水聽器的低頻校準(zhǔn)問題,但對其體積有限制,并且無法測試動圈式矢量水聽器的水平矢量通道[4-6];外場受環(huán)境因素影響較大,另外校準(zhǔn)工作不易實施[7]。

本文設(shè)計了矢量水聽器相位差測試裝置。在振動臺基礎(chǔ)上,在空氣中對振速水聽器和放置在液柱中的聲壓水聽器進(jìn)行相位差測試,從原理、設(shè)計實現(xiàn)和準(zhǔn)確度分析的角度展開敘述。

1 相位差測試原理研究

為獲得矢量水聽器矢量、標(biāo)量通道間的相位差特性,需要分別對其聲壓水體器以及X方向、Y方向、Z方向三個振速分量傳感器的相位進(jìn)行測量。由于聲壓信號與振速信號對應(yīng)的單位不同,因此測得的信號之間必然會存在由單位差異而引起的固有相位差。

1.1 聲壓、振速水聽器測試原理

對于聲壓水聽器,其測試原理為外界聲波傳遞到水聽器時激勵其內(nèi)部壓電陶瓷傳感元件發(fā)生形變進(jìn)而輸出電信號,這就意味著聲壓水聽器必須放置在聲音的傳播介質(zhì)中,用聲波進(jìn)行激勵來完成測量。而由于聲音在空氣中的傳播衰減性較水中大很多,因此聲壓水聽器的相位測量需要放置在水中來進(jìn)行。這里使用固定在振動臺上的駐波液柱管來對聲壓水聽器進(jìn)行相位測量。

對于振速水聽器,其結(jié)構(gòu)由內(nèi)部分別沿三個坐標(biāo)軸方向固定放置的振速傳感器和外部剛性水密球殼組成,且振速傳感器與外部球殼間保持剛性連接。當(dāng)聲波傳遞到振速水聽器時,首先激勵球殼發(fā)生振動,然后球殼帶動內(nèi)部振速傳感器振動輸出電信號,則內(nèi)部振速傳感器僅通過外部球殼的振動來感應(yīng)外界聲波變化。因此,測量振速水聽器相位時,可以將其直接放在空氣中固定在振動臺上,通過振動臺激勵整個水聽器球體來模擬聲波的作用。

1.2 相位差測試原理

當(dāng)液柱高度L大于圓管直徑2a時,可將液柱看作短聲傳輸線,管中僅有平面波傳播[3]。利用傳輸線理論可得出管底輻射聲壓為:

式中:p為水的密度;c為水中聲速;L為液柱高度;h為聲壓水聽器在水中深度;a為底座的加速度;v為液柱底座的振速。

由此可知,理想的聲壓信號p與激勵加速度信號a同相位,而比激勵振速信號v相位超前π/2。因此,在待測頻點處對相同激勵下的聲壓信號與振速信號的相位ψp與ψv做差,再減去固有相位差π/2,即可得到聲壓、振速之間的相位差Δφ=ψp-ψv-π/2。但是液柱只能在垂直方向形成駐波場。使用上述方法可以測量聲壓信號與垂直方向振速信號間的相位差,對于聲壓與水平方向振速信號間的相位差還需要借助于加速度傳感器來完成。

根據(jù)聲壓水聽器的無矢量性,可先在垂直方向上測得相同激勵下聲壓水聽器與加速度傳感器的相位差ΔΦ=(ψp-ψa),ψa為加速度傳感器信號相位;再測得該加速度傳感器與待測振速傳感器在水平方向上的相位差Δγx,y=(ψvx,y-ψa),ψvx,y為水平方向振速信號相位,則可計算得到聲壓水聽器與水平方向振速傳感器的相位差為Δφ=ΔΦ-Δγx,y-π/2=ψp-ψvx,y-π/2。

2 測試方法的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 相位差測試裝置設(shè)計

在空氣中,根據(jù)上述測試原理,借助于振動臺、激振器、駐波液柱管、信號發(fā)生器、采集儀搭建了矢量水聽器相位測試裝置。裝置示意圖如圖1所示。

在圖1(a)中,垂直振動臺上固定有駐波液柱管、振速水聽器球和加速度傳感器,聲壓水聽器放置于填滿水的液柱管中。通過調(diào)節(jié)振動臺面使液柱管與振速球支架保持水平。振動臺固定在激振器上,用信號發(fā)生器來控制激振器的信號輸入。測量過程中,聲壓水聽器、垂直方向上的振速傳感器以及加速度傳感器信號用高精度數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并將采集的數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在圖1(b)中,振速水聽器球和加速度傳感器安裝在水平振動臺上,振動臺、激振器、采集儀的連接方式與圖1(a)中相同,以完成水平振速相位的測試。

圖1 矢量水聽器相位測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the phase difference test device for vector hydrophone

2.2 相位差測試方法介紹

測試過程中,首先測量聲壓水聽器與垂直方向振速傳感器間的相位差,同時獲取聲壓水聽器與加速度傳感器間的相位差信息。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器使振動臺產(chǎn)生所需頻率的振動,用采集儀同時采集聲壓水聽器信號、垂直方向振速傳感器信號以及水平底座上安裝的加速度傳感器信號,用上位機(jī)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以得出此頻點處的聲壓、振速相位差。改變頻點,重復(fù)以上步驟進(jìn)行測量,得到待測頻段內(nèi)的聲壓水聽器與垂直方向振速傳感器和加速度傳感器的相位差信息。然后將振動臺調(diào)節(jié)為水平振動模式,結(jié)合上述測量結(jié)果進(jìn)行聲壓水聽器與水平兩個方向的振速傳感器相位差測量。選擇某一個水平方向安裝振速水聽器球體,如X方向,使其振速X方向平行于振動方向,且加速度傳感器方向也與振動方向一致,進(jìn)行激振與信號采集,得到振速傳感器與加速度傳感器數(shù)據(jù)在待測頻帶內(nèi)的相位差。利用本文所述的水平方向相位測試方法,便可得到該頻段內(nèi)聲壓水聽器與X方向振速傳感器之間的相位差信息。同理,調(diào)節(jié)矢量水聽器球體安裝方向使Y方向與振動方向一致。重復(fù)上述測量亦可得到聲壓水聽器與Y方向振速傳感器之間的相位差信息。

3 測試方法準(zhǔn)確性試驗分析

利用上述矢量水聽器測試方法和裝置,與在715所國防水聲一級計量站駐波管的相位差測試結(jié)果進(jìn)行了對比驗證,并分別就傳感器的數(shù)量、放置方式對水聽器相位特性的影響進(jìn)行了測試分析。測試頻率范圍為20～100 Hz,間隔為5 Hz(考慮電磁干擾的原因,去除了50 Hz頻點)。

3.1 相位差測試結(jié)果對比分析

為驗證本文提出的矢量水聽器相位測試方法的準(zhǔn)確性,首先將所用水聽器在715所駐波管中進(jìn)行了相位差測試,參照標(biāo)準(zhǔn)為JJF 1340-2012《20～2 000 Hz矢量水聽器校準(zhǔn)規(guī)范》,環(huán)境條件為:水深0.14 m,水溫23℃,室溫25℃[8-10]。由于駐波管和矢量水聽器的結(jié)構(gòu)特點,該測試僅能測得聲壓與垂直振速通道的相位差。將該測試結(jié)果與本文測得結(jié)果進(jìn)行了對比,對比結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,除去20 Hz處兩者測試結(jié)果相差大于10°以外,其他頻點處差值均在5°以內(nèi),并且趨勢相同。產(chǎn)生差異的原因主要是駐波管在甚低頻區(qū)域駐波場的不穩(wěn)定,本文測試結(jié)果相比較更為準(zhǔn)確。另外,由于本文所測矢量水聽器中采用的振速傳感器在10 Hz處存在共振峰值,而聲壓傳感器在20～100 Hz范圍內(nèi)無共振頻點,因此在10 Hz處相位差數(shù)值應(yīng)接近-90°,大于10 Hz時的相位差數(shù)值接近于0°,這在圖2中有所體現(xiàn)。

圖2 空氣中相位差測試與715所測試結(jié)果對比圖Fig.2 Comparison of phase difference test results in the air and the results taken in No.715 Research Institute

3.2 傳感器數(shù)量、位置因素試驗分析

針對測試所用的振速型矢量水聽器的結(jié)構(gòu)特點(振速水聽器由每個坐標(biāo)軸方向上的兩個振速傳感器串聯(lián)而成;聲壓水聽器由四個聲壓傳感器并聯(lián)組成),分別對振速、聲壓傳感器數(shù)量變化對水聽器相位特性的影響進(jìn)行了分析。

首先在聲壓水聽器不變的情況下對振速球、串聯(lián)兩個振速傳感器和單個振速傳感器的聲壓-振速通道相位差進(jìn)行了測量。圖3給出了振速通道傳感器數(shù)量變化對相位差的影響測試結(jié)果。從圖3可以看出,振速傳感器數(shù)量變化對矢量水聽器聲壓-振速通道相位差特性沒有影響。

圖3 振速傳感器數(shù)量對矢量水聽器相位差的影響示意圖Fig.3 Influence of the quantity of vibration velocity sensors to phase difference of vector hydrophone

然后又在振速水聽器不變的情況下,對單只與四只并聯(lián)聲壓傳感器的聲壓-振速通道相位差進(jìn)行了測量,結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出,聲壓傳感器數(shù)量變化對矢量水聽器聲壓-振速通道相位差特性也沒有影響。

圖4 聲壓傳感器數(shù)量對相位差的影響示意圖Fig.4 Influence of the quantity of sound pressure sensors to phase difference

在使用駐波液柱管測量聲壓水聽器的靈敏度時,水聽器入水深度會引起測得的靈敏度數(shù)值發(fā)生變化,因此要求聲壓水聽器的入水深度保持一致。為分析該入水深度對聲壓水聽器相位特性的影響,將四只聲壓傳感器分別放置在液柱管的四個不同深度進(jìn)行測量,圖5給出了該測試結(jié)果。

從圖5可以看出,深度變化對矢量水聽器聲壓-振速通道相位差特性也沒有影響。

圖5 聲壓傳感器深度變化對相位差的影響示意圖Fig.5 Influence of the placing depth of sound pressure sensor to phase difference

4 結(jié)束語

在分析聲壓、振速水聽器測試原理的基礎(chǔ)上,提出了一種利用振動臺激勵來測量低頻振速型矢量水聽器的聲壓與垂直、水平振速通道間相位差的方法。將該方法與水聲一級計量站的測試結(jié)果進(jìn)行了對比,并就傳感器數(shù)量和放置方式對相位差結(jié)果的影響做了分析。結(jié)果表明,本文的相位差測試方法在100 Hz以下的甚低頻范圍內(nèi)比駐波管測試結(jié)果更準(zhǔn)確;振速、聲壓傳感器數(shù)量變化及聲壓傳感器放置深度變化對相位差測試結(jié)果均沒有影響。

[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] 時勝國,楊德森,洪連進(jìn).同振球型矢量水聽器聲波接收理論研究[J].聲學(xué)學(xué)報,2009,34(1):30-38.

[3] 國防科工委科技與質(zhì)量司.聲學(xué)計量[M].北京:原子能出版社,2002:132-133,169-177.

[4] 費騰,徐平.矢量水聽器的低頻相位校準(zhǔn)方法[J].聲學(xué)與電子工程,2006,49:85-86.

[5] 陳洪娟,趙鵬濤.10～100 Hz矢量水聽器校準(zhǔn)系統(tǒng)研究[J].聲學(xué)技術(shù),2008,27(5):526-527.

[6] 師俊杰,孫大軍,呂云飛,等.甚低頻矢量水聽器水池校準(zhǔn)方法研究[J].兵工學(xué)報,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] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF 1340-2012 20 Hz～2 000 Hz矢量水聽器校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京:中國質(zhì)檢出版社,2012.

[9] 孫貴青,楊德森,張林,等.矢量水聽器在水下目標(biāo)低頻輻射噪聲測量中的應(yīng)用[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2001,22(5):5-19.

[10] 賈志富.同振球型聲壓梯度水聽器的研究[J].應(yīng)用聲學(xué),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

山東省科學(xué)院青年基金資助項目(編號:2013QN032)。

修改稿收到日期:2014-01-22。

王振(1982-),男,2011年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計及理論專業(yè),獲博士學(xué)位,助理研究員;主要從事機(jī)械動力學(xué)及振動測試分析的研究。