低频水声声压校准测试系统的设计

　　1 引言

　　随着水声技术的迅速发展, 许多水声设备的工作频率也逐渐向低频领域发展。目前国内外对于大量使用的测量水听器低频段的校准常采用的方法有: 密闭腔比较法、活塞发声器法和振动液柱法。密闭腔比较法要获得较高的上限频率应采用置换比较法, 但此法要求被校水听器与标准水听器的几何尺寸相近, 这就限制了其使用范围, 且发射源的频率也很难做得很低。活塞发声器法的校准频段仅为1Hz～50Hz, 远不能满足10Hz～2kHz的频率要求。振动液柱法是通过振动加速度的测量来求定标准水听器声压灵敏度的方法, 是适合于在低频率下使用的绝对方法。

　　2 校准原理

　　图1为振动液柱法校准原理示意图。主要由充水的开口圆管(其管壁为刚硬边界条件)和管底的振动激励器组成。

　　待校水听器的声压灵敏度Me=eoc/Pa, 是通过直接测量待校水听器开路输出电压eoc和间接测量作用在水听器上的实加声压Pa求得的, 而声压Pa又是利用介质的声阻抗和边界条件以及声源的参数求出的。此法要求充水开口圆管的内径(2a)应远小于水中声波波长λ(即2a<<λ), 圆管之长度主要取决于校准时所需其中充水液柱之长度L, 而液柱长度L应与所校准的频率范围之上限频率fh相对应。通常以上限频率fh对应水中声波波长的1/4选为液柱长度L(即L=c/4fh, 其中c为水柱中的声速) 。如图1所示开口圆管底部固定在振动台台面上, 并调节台面使之保持水平。激励器驱动台面使整个圆管作垂直振动, 即管中水柱连同管壁一并做垂直振动, 此时管中水柱可视为短的声传播线, 可用波动分析方法求出水柱中各点的声压与振速的关系。

　　水听器的声压灵敏度Ma数学模型为: 若在此声压的作用下, 水听器输出开路电压eoc, 并用已知灵敏度为Sea的加速度计, 它的输出电压为ea, 则被校准水听器的声压灵敏度值为:

　　上式各物理量的单位均为国际单位制(SI)单位。

　　3 测试系统设计

　　根据上述原理和数学模型, 设计了如下测试系统, 其组成如图2所示。该系统由四部分组成:

　　1)、振动标准试验台系统: 振动标准台、功率放大器、合成函数发生器、加速度计。

　　2)、振动液柱管。

　　3)、振动液柱校准测试系统: 电荷放大电路、适调放大电路、滤波及测量放大电路、数据采集器。

　　4)、控制部分: 计算机、打印机、测控软件。

　　(1) 振动标准试验台系统是以计算机为中心的测量振动台振动幅值和回馈控制振动的闭环系统,保持振动量值的准确可靠是标准装置的基础, 在台体设计和程控功率放大器设计方面符合国家计量检定规程JJG298-1995《中频标准振动台(比较法)》的技术要求, 正弦最大推力达到 998N, 有利于系统整体性能的保证。