发射换能器指向性现场测试仪的设计与实现

1、更多电子资料请登录赛微电子网发射换能器指向性现场测试仪的设计与实现*林顺英 何 伟(北京石油化工学院机械工程系, 北京 102617)摘 要: 低频发射换能器的指向性测试一般依靠外场试验进行。为了提高测试效率和测试精度, 缩短测试时间, 对发射换能器指向性测试方法进行了研究。以多路功放及指向性仪为基础, 以通用计算机为平台, 添加了同步信号输出卡和多功能信号采集卡, 研制了一套发射换能器指向性现场测试设备, 开发了多通道同步脉冲信号发生器和自动测试软件。经现场实验证明, 该测试设备结构简单、成本低、可维护性好, 能够减少测试工作强度和时间。与人工测量结果的对比表明, 设备的测量结果更准确、指向

2、性图细节更明显。 关键词: 发射换能器；指向性测试；同步信号输出卡；多功能信号采集卡中图分类号: TB556文献标识码: A国家标准学科分类代码: 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 言低频发射换能器是目前主动声纳的发展方向之一。对低频发射换能器进行测试, 是研制与生产过程中必不可少的环节。频率响应测试与指向性测试是两个必测的参数, 按照测试的要求, 发射换能器与接收换能器之间的距离应该满足远场的条件。由于这

7、一条件的限制, 传统的水池测试方法无法适用于低频发射换能器的测试, 因此, 对低频发射换能器的测试多在自然开阔水域建立的实验场中进行1。对发射换能器进行指向性测试, 特别是对发射换能器阵进行测试, 需要专用的测试设备, 包括测试回转台, 测试记录设备等2。而一般外场实验场的设备相对来说比较简陋, 测量人员只能采用手工操作, 劳动强度大, 试验周期长, 试验场地利用率低, 试验计划难以安排, 有时甚至会影响研制生产进度。针对低频发射换能器外场实验测试的要求, 研制了一套发射换能器指向性现场测试设备, 该设备以多路功放及指向性仪为基础, 以通用计算机为平台, 添加同步信号输出卡和多功能信号采集卡,

8、 开发专用的同步脉冲信号发射软件及自动测试软件, 以实现对发射换能器阵指向性测试的数据采集、信号分析、数据处理、数据存储、可视化等功能, 完成测试、测量、控制等任务。2 声功率测量方法简介声功率测量是频率响应测试与指向性测试的基础, 测量的方法有很多种, 最简单而且最直接的方法是把它们与一个标准的换能器相比较, 如图1所示。测量信号一般采用单频短脉冲信号, 选择不同频率的信号作为发射信号得到的声功率测试结果即频率响应测试结果, 选择不同角度的信号作为发射信号得到的测试结果即指向性测试结果。从提高测量的精确度来说, 有必要尽可能消除反射声。这可以用2个方法来实现: 1) 要尽可能远离反射表面(即

9、在很深的湖泊中进行); 2) 同时要使用短脉冲。测量信号的脉冲宽度t 应该满足3: (1)式中: c为水中自由场声速, R为最近的反射声程, r为直达声程, 即测量距离。图1 发射换能器发射声功率的测量Fig. 1 Projecting transducer acoustic power measurement在这样的条件下, 测量数据还应取自反射未到达前的直达脉冲。为了获得稳态信号, 脉冲长度要大于测量系统带宽的倒数, 但又要足够短以避免反射的干扰。测量发射换能器的声功率时, 发射换能器与接收换能器之间的距离r应该满足远场的条件, 远场条件与发射信号频率以及发射换能器的线度有关。一般情况下,

10、 这个距离应该满足4: (2)式中: l为发射信号波长, 。发射换能器发射声功率的计算公式为:(3)式中: Q0为标准水听器的接收灵敏度, Ur为接收信号的有效值, 单位为V, r的单位为m。3 系统硬件组成现场测试仪由信号发射与控制分机、指向性仪以及信号测量与处理分机3部分组成, 系统组成示意图如图2所示。信号发射与控制分机由信号发射与控制计算机及功放组成, 测量所用的发射信号是通过控制多通道同步信号输出卡来产生。从声功率测量的原理可知, 声功率测量所用信号为单频短脉冲, 这就要求多通道同步信号输出卡的数据刷新率要远大于测量信号频率, 以保证输出的单频短脉冲信号的光滑, 减少噪声干扰, 因此

11、采用ADLINK公司的DAQ2502多功能数据采集卡, 板上具有八路12位分辨率、最大1M刷新率的模拟量同步输出通道, 此外还具有4路14位分辨率、400 kS/s采样率的模拟量输入通道, 2路16位通用定时/计数器, 以及多板同步总线。发射信号经功放放大后驱动发射换能器输出。发射换能器与指向性仪刚性连接, 由信号发射与控制计算机通过485总线与指向性仪通信, 控制发射换能器在水下的发射角度。图2 发射换能器指向性现场测试仪组成Fig. 2 The constitute of projecting transducer directivity pattern field-testing ins

12、trument信号测量与处理分机结构相对简单, 测量与处理计算机通过多功能数据采集卡采集接收换能的信号并处理, 给出测试结果。测量与处理计算机同信号发射与控制计算机通过以太网通信, 实现参数的传递与测量的同步5-6。所使用的多功能数据采集卡为NI公司的PCI-6052E, 板上具有16路16位分辨率、最大333 kS/s采样率的模拟量输入通道, 2路16位分辨率、333 kS/s刷新率的模拟量输出通道, 2路24位通用定时/计数器。4 系统软件组成软件是虚拟仪器的核心, 在虚拟仪器中, 其基本硬件确定以后, 就可以通过不同的软件来实现不同的功能。发射换能器指向性现场测试仪的系统软件由信号发射与

13、控制分机软件和信号测量与处理分机软件2部分组成, 各部分软件结构与互相之间的连接关系如图3所示。其中信号发射与控制分机中各模块功能如下: 1) 人机界面: 图形化显示测试参数及状态并接收操作人员指令; 2) 系统管理: 调度各模块的运行、协调工作时序、发送控制指令给信号测量与处理分机; 3) 数据库模块: 纪录设置参数及测试模式等数据; 4) 指向性仪控制模块: 通过RS485总线监控指向性仪的状态; 5) 参数配置: 将设置参数转化为相应的命令; 6) 同步脉冲输出模块: 产生脉冲信号并按相应得时序发射。信号发射与控制分机软件界面与流程图如图4所示。信号测量与处理分机中各模块功能如下: 1)

14、 人图3 系统软件结构图Fig. 3 The structure chart of system software机界面: 图形化显示测试参数、数据及结果并接收操作人员指令; 2) 系统管理: 调度各模块的运行、协调工作时序、接收信号发射与控制分机的控制指令; 3) 数据库模块: 纪录设置参数、测试模式及测试结果等数据; 4) 参数配置: 将设置参数转化为相应的命令; 5) 数据采集与处理: 采集数据、脉冲检测并计算声源级; 6) 指向性图输出模块: 计算并输出指向性结果。信号发射与控制分机软件界面与流程图如图5所示。图4 信号发射与控制分机软件界面与流程图Fig. 4 The interfa

15、ce and flowchart of signal projecting and controlling extension图5 信号测量与处理分机软件界面与流程图Fig. 5 The interface and flowchart of signal measuring and processing extension测量开始时, 测量人员根据发射波束设计要求在信号发射与控制分机软件界面中对各通道输出的信号频率、相位以及幅度进行设置, 然后启动发射, 由软件控制指向性仪转动, 按等角度间隔或等时间间隔方式自动发射信号。在信号接收端, 信号测量与处理分机通过网络接收信号发射与控制分机发出的系

16、统参数与同步数据包, 自动设置接收滤波器, 采集信号后采用基于频率与脉宽相结合的脉冲提取方法提取接收脉冲后保存幅度测量结果。当测量过程完成后, 调用指向性图输出模块对幅度测量结果进行去野值、平均以及声源级计算后给出最终结果。图6给出了一个测试结果比对, 左图是人工测试的结果, 右图为研制的指向性仪测量结果。人工测量的响应幅度是通过读取示波器读数得到, 误差较大; 而研制的指向性仪的是在脉冲提取的基础上进行相应处理得到, 可以看出指向性仪测量得到的换能器指向性曲线更光滑、细节更明显, 结果更准确、对发射换能器波束宽度、主瓣与旁瓣的刻画更精确。图6 人工测量结果与指向性测试仪测量结果对比Fig.

17、6 Comparison of manual measurement results and directivity pattern testing equipment measurement results5 结 论该发射换能器指向性现场测试仪是基于虚拟仪器技术, 以计算机为测量控制器及数据处理器, 将多通道同步脉冲信号源、数据采集、数据处理集成一体, 使整个系统性能可靠、结构紧凑。通过与人工测量结果的比对, 可以看出指向性仪测量得到的换能器指向性曲线更光滑、细节更明显、结果更准确, 对发射换能器波束宽度、主瓣与旁瓣的刻画更精确。显然, 通过指向性仪测试所得到的结果对成阵更具有参考意义。研制

18、的发射换能器指向性现场测试仪通过多次外场实验的使用, 证明该系统可以方便地在外场实验时现场搭建, 快速可靠地测量发射换能器的源级与指向性, 提高了测试效率、降低了实验的劳动强度。参考文献: 1 鲍国良, 王同庆. 消声水池的设计及其自由场测量实验J. 声频工程, 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 唐长寿, 唐海清, 陆渭林, 等. 水声换能器大功率特性校准装置的研究J

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