大尺寸水听器低频灵敏度测量研究

　　现代水声设备正逐渐向低频、大功率、大孔径方向发展，所采用的测量水听器的工作频率越来越低，数量越来越多，其尺寸也逐渐增大。要在自由场中测量水听器的低频灵敏度十分困难，这需要能产生足够信噪比的低频发射换能器和足够大面积的测量水域。而这通常只能在拥有开阔水域的外场条件下进行，但这样做的费用很高，实施困难且测试精度不高。目前，我国不少水声测量单位建立了振动液柱法测量系统，其测量频率范围多在20Hz～1.25kHz，适用的水听器尺寸较小，通常在Φ40mm×80mm以下。因此，有必要对大尺寸低频水听器的测量进行研究，解决大尺寸水听器低频灵敏度测量的需求。

　　1 测量原理

　　如图1，在一个充满液体的刚性密闭水腔内，位于密闭水腔底部的声源F在电压U的激励下，在密闭水腔中产生均匀的声压;同时位于密闭水腔中适当位置的待测换能器X和标准水听器P，在相同声压作用下各自产生路电压UFX和UFP。通过开关用电压测量装置分别测量这两个开路电压UFX和UFP，则待测换能器的声压灵敏度级可以由下式求出：

　　式中：MP为标准水听器的灵敏度级，dB(基准值1V/μPa)。

　　密闭水腔的腔体通常取圆柱形，上顶、下底和内壁均由硬质材料制成。声源位于腔体底部中心位置，腔体顶盖上设置密封盖，被测水听器和标准水听器均安装在密封盖上，待测水听器与标准水听器的声中心同时位于靠近腔体顶部附近的同一水平面内。

　　2 系统构成

　　测量系统的框图如图2所示，系统由密闭水腔、信号发射系统和信号接收测量系统三部分组成。

　　密闭水腔的内部尺寸为Φ200mm×250mm。发射换能器位于腔体底部中心位置，腔体顶盖上设置密封盖，被测水听器和标准水听器均安装在密封盖上，被测水听器与标准水听器的声中心同时位于靠近腔体顶部附近的同一水平面内。腔体顶盖上部附加一个储水槽，储水槽的作用是保持水面始终高于密闭腔的测量腔体，避免安装密封盖时混入气泡。信号发射系统由信号源、功率放大器、发射换能器组成。信号源输出所需信号给功放，经功率放大器放大，推动发射换能器在密闭腔中形成所需声场。信号接收系统由电子开关、前置放大器、滤波器和数字示波器组成。电子开关选用测量信号，经放大滤波后输给数字示波器进行测量。

　　低频水听器校准时，(对于不带前置放大器的水听器)，通常需要进行阻抗匹配。这是由于测量频率降低时，低频水听器的输出阻抗都非常高，而通常测量放大器的输入阻抗为1MΩ，不能满足远高于低频水听器输出阻抗的要求，需要选择具有高输入阻抗的前置放大器来实现阻抗变换的功能。