發(fā)射換能器指向性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、更多電子資料請(qǐng)登錄賽微電子網(wǎng)發(fā)射換能器指向性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*林順英 何 偉(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程系, 北京 102617)摘 要: 低頻發(fā)射換能器的指向性測(cè)試一般依靠外場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行。為了提高測(cè)試效率和測(cè)試精度, 縮短測(cè)試時(shí)間, 對(duì)發(fā)射換能器指向性測(cè)試方法進(jìn)行了研究。以多路功放及指向性儀為基礎(chǔ), 以通用計(jì)算機(jī)為平臺(tái), 添加了同步信號(hào)輸出卡和多功能信號(hào)采集卡, 研制了一套發(fā)射換能器指向性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備, 開發(fā)了多通道同步脈沖信號(hào)發(fā)生器和自動(dòng)測(cè)試軟件。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明, 該測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可維護(hù)性好, 能夠減少測(cè)試工作強(qiáng)度和時(shí)間。與人工測(cè)量結(jié)果的對(duì)比表明, 設(shè)備的測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確、指向

2、性圖細(xì)節(jié)更明顯。 關(guān)鍵詞: 發(fā)射換能器；指向性測(cè)試；同步信號(hào)輸出卡；多功能信號(hào)采集卡中圖分類號(hào): TB556文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼: 510.10The design and realization of projecting transducer directivity pattern field-testing instrumentLin Shunying He Wei(Beijing Inst. of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China)Abstract: Directivity pattern testing o

3、f Low Frequency projecting transducer usually depends on field experiment. In order to improve the testing efficiency and accuracy and shorten the testing time, the directivity pattern testing methods of projecting transducer are studied. Based on multi-channel power amplifier, directivity pattern i

4、nstrument and general computer and added with synchronization signal output card and multi-function signal acquisition card, a set of projecting transducer directivity pattern field-testing equipment, a multi-channel synchronization pulse generator and a set of automatic testing software are develop

5、ed. The field experiments show that the testing equipment has some advantages such as simplicity, low cost, good maintainability and reducing the testing work intensity and time. Compared with manual measurement results, the measurement results of this equipment are more accurate and the details of

6、directivity pattern figures are more obvious. Keywords: projecting transducer; directivity pattern testing; synchronization signal output card; multi-function signal acquisition card1 引 言低頻發(fā)射換能器是目前主動(dòng)聲納的發(fā)展方向之一。對(duì)低頻發(fā)射換能器進(jìn)行測(cè)試, 是研制與生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。頻率響應(yīng)測(cè)試與指向性測(cè)試是兩個(gè)必測(cè)的參數(shù), 按照測(cè)試的要求, 發(fā)射換能器與接收換能器之間的距離應(yīng)該滿足遠(yuǎn)場(chǎng)的條件。由于這

7、一條件的限制, 傳統(tǒng)的水池測(cè)試方法無(wú)法適用于低頻發(fā)射換能器的測(cè)試, 因此, 對(duì)低頻發(fā)射換能器的測(cè)試多在自然開闊水域建立的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)中進(jìn)行1。對(duì)發(fā)射換能器進(jìn)行指向性測(cè)試, 特別是對(duì)發(fā)射換能器陣進(jìn)行測(cè)試, 需要專用的測(cè)試設(shè)備, 包括測(cè)試回轉(zhuǎn)臺(tái), 測(cè)試記錄設(shè)備等2。而一般外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的設(shè)備相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)陋, 測(cè)量人員只能采用手工操作, 勞動(dòng)強(qiáng)度大, 試驗(yàn)周期長(zhǎng), 試驗(yàn)場(chǎng)地利用率低, 試驗(yàn)計(jì)劃難以安排, 有時(shí)甚至?xí)绊懷兄粕a(chǎn)進(jìn)度。針對(duì)低頻發(fā)射換能器外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的要求, 研制了一套發(fā)射換能器指向性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備, 該設(shè)備以多路功放及指向性儀為基礎(chǔ), 以通用計(jì)算機(jī)為平臺(tái), 添加同步信號(hào)輸出卡和多功能信號(hào)采集卡,

8、 開發(fā)專用的同步脈沖信號(hào)發(fā)射軟件及自動(dòng)測(cè)試軟件, 以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射換能器陣指向性測(cè)試的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、可視化等功能, 完成測(cè)試、測(cè)量、控制等任務(wù)。2 聲功率測(cè)量方法簡(jiǎn)介聲功率測(cè)量是頻率響應(yīng)測(cè)試與指向性測(cè)試的基礎(chǔ), 測(cè)量的方法有很多種, 最簡(jiǎn)單而且最直接的方法是把它們與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的換能器相比較, 如圖1所示。測(cè)量信號(hào)一般采用單頻短脈沖信號(hào), 選擇不同頻率的信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)得到的聲功率測(cè)試結(jié)果即頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果, 選擇不同角度的信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)得到的測(cè)試結(jié)果即指向性測(cè)試結(jié)果。從提高測(cè)量的精確度來(lái)說(shuō), 有必要盡可能消除反射聲。這可以用2個(gè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn): 1) 要盡可能遠(yuǎn)離反射表面(即

9、在很深的湖泊中進(jìn)行); 2) 同時(shí)要使用短脈沖。測(cè)量信號(hào)的脈沖寬度t 應(yīng)該滿足3: (1)式中: c為水中自由場(chǎng)聲速, R為最近的反射聲程, r為直達(dá)聲程, 即測(cè)量距離。圖1 發(fā)射換能器發(fā)射聲功率的測(cè)量Fig. 1 Projecting transducer acoustic power measurement在這樣的條件下, 測(cè)量數(shù)據(jù)還應(yīng)取自反射未到達(dá)前的直達(dá)脈沖。為了獲得穩(wěn)態(tài)信號(hào), 脈沖長(zhǎng)度要大于測(cè)量系統(tǒng)帶寬的倒數(shù), 但又要足夠短以避免反射的干擾。測(cè)量發(fā)射換能器的聲功率時(shí), 發(fā)射換能器與接收換能器之間的距離r應(yīng)該滿足遠(yuǎn)場(chǎng)的條件, 遠(yuǎn)場(chǎng)條件與發(fā)射信號(hào)頻率以及發(fā)射換能器的線度有關(guān)。一般情況下,

10、 這個(gè)距離應(yīng)該滿足4: (2)式中: l為發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng), 。發(fā)射換能器發(fā)射聲功率的計(jì)算公式為:(3)式中: Q0為標(biāo)準(zhǔn)水聽器的接收靈敏度, Ur為接收信號(hào)的有效值, 單位為V, r的單位為m。3 系統(tǒng)硬件組成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀由信號(hào)發(fā)射與控制分機(jī)、指向性儀以及信號(hào)測(cè)量與處理分機(jī)3部分組成, 系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。信號(hào)發(fā)射與控制分機(jī)由信號(hào)發(fā)射與控制計(jì)算機(jī)及功放組成, 測(cè)量所用的發(fā)射信號(hào)是通過(guò)控制多通道同步信號(hào)輸出卡來(lái)產(chǎn)生。從聲功率測(cè)量的原理可知, 聲功率測(cè)量所用信號(hào)為單頻短脈沖, 這就要求多通道同步信號(hào)輸出卡的數(shù)據(jù)刷新率要遠(yuǎn)大于測(cè)量信號(hào)頻率, 以保證輸出的單頻短脈沖信號(hào)的光滑, 減少噪聲干擾, 因此

11、采用ADLINK公司的DAQ2502多功能數(shù)據(jù)采集卡, 板上具有八路12位分辨率、最大1M刷新率的模擬量同步輸出通道, 此外還具有4路14位分辨率、400 kS/s采樣率的模擬量輸入通道, 2路16位通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器, 以及多板同步總線。發(fā)射信號(hào)經(jīng)功放放大后驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器輸出。發(fā)射換能器與指向性儀剛性連接, 由信號(hào)發(fā)射與控制計(jì)算機(jī)通過(guò)485總線與指向性儀通信, 控制發(fā)射換能器在水下的發(fā)射角度。圖2 發(fā)射換能器指向性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀組成Fig. 2 The constitute of projecting transducer directivity pattern field-testing ins

12、trument信號(hào)測(cè)量與處理分機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單, 測(cè)量與處理計(jì)算機(jī)通過(guò)多功能數(shù)據(jù)采集卡采集接收換能的信號(hào)并處理, 給出測(cè)試結(jié)果。測(cè)量與處理計(jì)算機(jī)同信號(hào)發(fā)射與控制計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)通信, 實(shí)現(xiàn)參數(shù)的傳遞與測(cè)量的同步5-6。所使用的多功能數(shù)據(jù)采集卡為NI公司的PCI-6052E, 板上具有16路16位分辨率、最大333 kS/s采樣率的模擬量輸入通道, 2路16位分辨率、333 kS/s刷新率的模擬量輸出通道, 2路24位通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器。4 系統(tǒng)軟件組成軟件是虛擬儀器的核心, 在虛擬儀器中, 其基本硬件確定以后, 就可以通過(guò)不同的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。發(fā)射換能器指向性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀的系統(tǒng)軟件由信號(hào)發(fā)射與

13、控制分機(jī)軟件和信號(hào)測(cè)量與處理分機(jī)軟件2部分組成, 各部分軟件結(jié)構(gòu)與互相之間的連接關(guān)系如圖3所示。其中信號(hào)發(fā)射與控制分機(jī)中各模塊功能如下: 1) 人機(jī)界面: 圖形化顯示測(cè)試參數(shù)及狀態(tài)并接收操作人員指令; 2) 系統(tǒng)管理: 調(diào)度各模塊的運(yùn)行、協(xié)調(diào)工作時(shí)序、發(fā)送控制指令給信號(hào)測(cè)量與處理分機(jī); 3) 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊: 紀(jì)錄設(shè)置參數(shù)及測(cè)試模式等數(shù)據(jù); 4) 指向性儀控制模塊: 通過(guò)RS485總線監(jiān)控指向性儀的狀態(tài); 5) 參數(shù)配置: 將設(shè)置參數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的命令; 6) 同步脈沖輸出模塊: 產(chǎn)生脈沖信號(hào)并按相應(yīng)得時(shí)序發(fā)射。信號(hào)發(fā)射與控制分機(jī)軟件界面與流程圖如圖4所示。信號(hào)測(cè)量與處理分機(jī)中各模塊功能如下: 1)

14、 人圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 The structure chart of system software機(jī)界面: 圖形化顯示測(cè)試參數(shù)、數(shù)據(jù)及結(jié)果并接收操作人員指令; 2) 系統(tǒng)管理: 調(diào)度各模塊的運(yùn)行、協(xié)調(diào)工作時(shí)序、接收信號(hào)發(fā)射與控制分機(jī)的控制指令; 3) 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊: 紀(jì)錄設(shè)置參數(shù)、測(cè)試模式及測(cè)試結(jié)果等數(shù)據(jù); 4) 參數(shù)配置: 將設(shè)置參數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的命令; 5) 數(shù)據(jù)采集與處理: 采集數(shù)據(jù)、脈沖檢測(cè)并計(jì)算聲源級(jí); 6) 指向性圖輸出模塊: 計(jì)算并輸出指向性結(jié)果。信號(hào)發(fā)射與控制分機(jī)軟件界面與流程圖如圖5所示。圖4 信號(hào)發(fā)射與控制分機(jī)軟件界面與流程圖Fig. 4 The interfa

15、ce and flowchart of signal projecting and controlling extension圖5 信號(hào)測(cè)量與處理分機(jī)軟件界面與流程圖Fig. 5 The interface and flowchart of signal measuring and processing extension測(cè)量開始時(shí), 測(cè)量人員根據(jù)發(fā)射波束設(shè)計(jì)要求在信號(hào)發(fā)射與控制分機(jī)軟件界面中對(duì)各通道輸出的信號(hào)頻率、相位以及幅度進(jìn)行設(shè)置, 然后啟動(dòng)發(fā)射, 由軟件控制指向性儀轉(zhuǎn)動(dòng), 按等角度間隔或等時(shí)間間隔方式自動(dòng)發(fā)射信號(hào)。在信號(hào)接收端, 信號(hào)測(cè)量與處理分機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收信號(hào)發(fā)射與控制分機(jī)發(fā)出的系

16、統(tǒng)參數(shù)與同步數(shù)據(jù)包, 自動(dòng)設(shè)置接收濾波器, 采集信號(hào)后采用基于頻率與脈寬相結(jié)合的脈沖提取方法提取接收脈沖后保存幅度測(cè)量結(jié)果。當(dāng)測(cè)量過(guò)程完成后, 調(diào)用指向性圖輸出模塊對(duì)幅度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行去野值、平均以及聲源級(jí)計(jì)算后給出最終結(jié)果。圖6給出了一個(gè)測(cè)試結(jié)果比對(duì), 左圖是人工測(cè)試的結(jié)果, 右圖為研制的指向性儀測(cè)量結(jié)果。人工測(cè)量的響應(yīng)幅度是通過(guò)讀取示波器讀數(shù)得到, 誤差較大; 而研制的指向性儀的是在脈沖提取的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)處理得到, 可以看出指向性儀測(cè)量得到的換能器指向性曲線更光滑、細(xì)節(jié)更明顯, 結(jié)果更準(zhǔn)確、對(duì)發(fā)射換能器波束寬度、主瓣與旁瓣的刻畫更精確。圖6 人工測(cè)量結(jié)果與指向性測(cè)試儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.

17、6 Comparison of manual measurement results and directivity pattern testing equipment measurement results5 結(jié) 論該發(fā)射換能器指向性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀是基于虛擬儀器技術(shù), 以計(jì)算機(jī)為測(cè)量控制器及數(shù)據(jù)處理器, 將多通道同步脈沖信號(hào)源、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理集成一體, 使整個(gè)系統(tǒng)性能可靠、結(jié)構(gòu)緊湊。通過(guò)與人工測(cè)量結(jié)果的比對(duì), 可以看出指向性儀測(cè)量得到的換能器指向性曲線更光滑、細(xì)節(jié)更明顯、結(jié)果更準(zhǔn)確, 對(duì)發(fā)射換能器波束寬度、主瓣與旁瓣的刻畫更精確。顯然, 通過(guò)指向性儀測(cè)試所得到的結(jié)果對(duì)成陣更具有參考意義。研制

18、的發(fā)射換能器指向性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀通過(guò)多次外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的使用, 證明該系統(tǒng)可以方便地在外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)搭建, 快速可靠地測(cè)量發(fā)射換能器的源級(jí)與指向性, 提高了測(cè)試效率、降低了實(shí)驗(yàn)的勞動(dòng)強(qiáng)度。參考文獻(xiàn): 1 鮑國(guó)良, 王同慶. 消聲水池的設(shè)計(jì)及其自由場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)J. 聲頻工程, 2005: 18-21.BAO G L, WANG T Q. Design of an Anechoic-water- tank and Its Free Field Measurement J. Audio Engineering, 2005: 18-21.2 唐長(zhǎng)壽, 唐海清, 陸渭林, 等. 水聲換能器大功率特性校準(zhǔn)裝置的研究J

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