技术摘要：
本发明公开了一种低频换能器谐振点发射响应的测量方法和系统，该方法及相应系统涉及自由场换能器水声测量领域，主要用于水声换能器发射参数的宽带测量。本发明首先建立发射换能器与标准水听器的线性幅度和相位响应系统，并建立信号的时间与频率关系。对标准水听器接收  全部
背景技术：
随着水声技术的发展，水声计量对保障水声设备的性能指标以及正常使用都具有 重要作用。自由场是最接近换能器、水听器等水声设备实际工作环境的声场，因此，自由场 校准的研究对保障水声换能器和水听器的研制和实际应用具有重要作用。 长期以来，发射换能器发射电流响应与发射电压响应(可以简称为换能器的发射 响应)是评价换能器性能最常用的技术指标。对于低频换能器而言，为了在低频达到较高的 声源级，通常需要其工作在谐振点附近。当换能器工作在谐振点附近时，其频率响应通常较 高，并且谐振点与附近的其他频点的频率响应差别较大，因此需要对低频换能器谐振点附 近及两边频带内的发射响应进行测量。 目前，低频换能器的发射响应可以在湖泊和海洋中进行外场测量，这种外场试验 通常在开阔的水域中进行，周围有较小的反射体，比较接近换能器实际工作的自由场环境。 但是这种测量方法需要在湖上和海上建立相应配套的调放和固定装置，人力和物力成本较 高。同时，这种外场实验在测量时通常伴随着较大的背景噪声，这对测量的准确度产生了较 大的影响。为了方便测量，目前人们通常在实验室中建立消声水池，用来模拟发射换能器工 作的自由场环境。消声水池的体积有限，为了消除水池边界和水面带来的反射，消声水池的 五个表面及水面通常铺设消声尖劈，在消除反射波的同时，可以降低水池的混响。在换能器 发射响应的测量中，脉冲声技术一直是水下电声参数测量中最为常用的技术手段，该方法 通过发射有限周期的单频脉冲信号，可以在时间上将直达信号和反射信号进行分离，以降 低水池边界反射对测量产生的影响。 对于低频发射换低频测量而言，目前存在两个方面的问题：1)由于受到有限水域 空间的限制，无法开展换能器的低频测量；2)在谐振点附近，由于换能器的频率响应变化较 为剧烈，若想得到发射换能器在谐振点处的频率响应，需要对其进行逐点测量，这样测量不 仅误差较大，而且用普通脉冲信号进行测量时，比较浪费时间。
技术实现要素：
针对目前发射换能器低频测量方法存在的不足，解决低频发射换能器发射响应测 量的问题，本发明提供了一种低频换能器谐振点发射响应的测量方法和系统，能够实现低 频换能器发射响应测量，可以在有限水域中实现低频发射换能器谐振点附近发射参数的宽 带测量，直接得到发射换能器在整个频段的频率响应。同时，结合发射换能器先验函数估计 和多次迭代与积分平均方法，消除由于积分平均造成的发射换能器发射响应曲线畸变，提 升低频发射换能器发射响应测量精度。 本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。本发明公开了一种换能器低频宽带 5 CN 111586546 A 说　明　书 2/6 页 发射响应的测量方法，主要包括以下步骤： (1)根据测量频率范围，利用信号发射器产生具有一定带宽并且相互正交的线性 扫频信号Fsin和Fcos，并将该信号通过线性功率放大器进行功率放大； (2)通过功率放大后的正交信号激励低频发射换能器在水下产生声信号； (3)宽带灵敏度为M0(f)的标准水听器在水下与发射换能器位于同一深度，并且与 发射换能器的距离为d0，该标准水听器分别接收发射换能器在水下产生的正交声信号，并 在末端输出开路电压信号Us0和Uc0； (4)通过电流电压取样器对激励发射换能器的发射正交电流信号和发射正交电压 信号进行取样，并按照电流取样α：1和电压取样β：1的比例将正交电流信号和正交电压信号 都转换为电压信号进行输出，取样后的发射正交电压信号分别为UVs和UVc，取样后的发射正 交电流信号为UIs和UIc(发射电流信号以电压的形式输出，输出电流与电压的比为α：1)； (5)将步骤(3)和步骤(4)中采集到的数据存储到PXI控制器或计算机中，并根据发 射与接收所构成的线性响应系统对电压信号和电流信号进行相位修正，保证发射信号与接 收信号的一一对应关系； (6)重复上述步骤n次，得到的n组信号进行非相干平均处理，用以在低频消除噪声 的影响，得到对应的水听器正交开路电压信号U′s0和U′c0、发射换能器发射正交电压信号 U′Vs和U′Vc和发射正交电流信号U′Is和U′Ic； (7)利用步骤(6)得到的信号数据，根据式(1)构造复数信号，得到其随频率变化的 响应： (8)根据发射换能器的性能，估计频率响应函数s(f)，同时利用该预估函数和窗函 数对系统的传递函数进行多次积分平均处理，消除水池混响所带来的影响，逐渐逼近发射 换能器的真实频率响应曲线，得到传递函数的宽带频率响应； (9)利用式(2)和式(3)得到待测发射换能器的宽带发射电流响应级SI和宽带发射 电压响应级SV： 其中，M0(f)为标准水听器的宽带灵敏度级；α为发射电流取样系数；β为发射电压 取样系数；d0为发射换能器和标准水听器的距离。 进一步地，正交线性扫频信号的表达式为：Fsin＝sin(2πf0t sπt2)和Fcos＝cos(2π f t sπt20 )，其中，s为扫频率，s＝(fx-f0)/t1，f0为起始频率，fx为终止频率，t1为从f0变化到 fx所用的扫频时间，此时信号的时间和频率的关系可以表示为：f＝f0 s×t(0≤t≤t1)。 进一步地，所述步骤(8)中，将整个系统抽象成一个输入和输出函数，输入信号分 6 CN 111586546 A 说　明　书 3/6 页 别为 输出信号为 此时系统的传递函数分别为 和 所述步骤(8)中，对发射换能器的低频发射响应进行预估，假设换能器发射响应的 预估曲线为s(f)，它是一个随频率变化的曲线，并且其带宽特性符合被测发射换能器的频 率响应特性，然后系统的传递函数 和 和预估曲线s(f)作为一个整体在带宽Δ fwi内进行积分平均处理，即： 其中，Δtdi为第i个反射波对应的时间延迟，取最小的两个时间延迟；Δfwi为第i 个积分平均矩形窗的宽度，Δfwi＝1/Δtdi； 此时，经过1次积分平均后的系统传递函数表示为： 其中， 为经过一次迭代逼近后，换能器发射电流与水听器开路电压的传递函 数； 为经过一次迭代逼近后，换能器发射电压与水听器开路电压的传递函数； 此时，令 构成新的预估函数，并代入到式(4)和 (5)中，得到 和 再代入式(6)，得到 和 再令 构成新的预估函数，再次代入到式(4)、(5) 和(6)中，然后得到 和 ……，以此类推；由于发射电流传递函数和发射电压传 递函数的响应不同，这两个传递函数分别迭代m次和k次，最终得到传递函数 和 此时传递函数无限接近于真实值，这两个传递函数迭代次数满足以下条件： 7 CN 111586546 A 说　明　书 4/6 页 进一步地，将得到传递函数代入式(2)和式(3)中，计算发射换能器的发射电流响 应和发射电压响应。 本发明所述步骤(9)中水听器的灵敏度必须经过宽带校准，否则无法实现换能器 的宽带测量。同时，水听器的宽带灵敏度都是通过离散化来实现的，即相邻频点的频率差为 Δf。因此，需要保证离散化后的宽带响应覆盖发射换能器的测试频率范围，并且频率分辨 力与M0(f)的分辨力相同，若两者出现不同，需要对M0(f)做插值和抽样处理。 本发明同时公开了一种低频换能器谐振点发射响应的测量系统，系统构成包括以 下设备：信号发射器、线性功率放大器、电流电压取样器、发射换能器、水池、水听器、电子开 关、前置放大器、滤波器、数据采集与存储单元、PXI控制器或计算机；其中，水听器在水下与 发射换能器位于水池的同一深度，信号发射器通过线性功率放大器、电流电压取样器与发 射换能器相连接；水听器通过电子开关、前置放大器、滤波器、数据采集与存储单元和PXI控 制器或计算机相连接；电流电压取样器对激励发射换能器的发射正交电流信号和发射正交 电压信号进行取样输出至电子开关。 对于测量系统，整个系统为线性系统，幅度偏差不超过1％，相位偏差不超过1°。 本发明的有益效果为： a)可以在自由场中实现发射换能器的发射电流响应和发射电压响应的低频测量， 消除水域边界低频反射对测量产生的影响； b)通过发射宽带线性扫频信号，可以实现发射换能器的宽带测量； c)通过对发射换能器发射响应曲线先验估计和多次叠带，可以消除由于积分平均 对发射换能器谐振点附近发射响应测量产生的影响。 附图说明 图1一种低频换能器谐振点发射响应的测量系统结构框图； 图2系统等效传递函数框图； 图3发射换能器发射响应曲线图； 图4测量结果偏差曲线。