高静水压下自由场水声声压标准装置的研究

    1 引 言

    对于工作在深水下的各种水声换能器,如声纳换能器等,实际装备前需对它们在深水下的声学性能进行测量和标定。要进行这些测量,首先必须对标准水听器在高静水压下的声学性能进行校准。为此,各国都开展了在高静水压下校准标准水听器自由场灵敏度的研究。

    美国水声计量分部(USRD)作为美国在水声领域的标准化机构,早在上世纪五、六十年代就建设了高压消声水池[1],建立了高静水压下校准自由场水声声压的装置。现在,USRD新的高压消声水池直径为318 m、长1111 m,静水压力达1816 MPa。英国国家物理实验室(NPL)作为英国的水声国家基准保存单位,期望能成为欧洲的水声计量测试中心,故于上世纪末购得了美国USRD的高压消声水池,其直径为215 m、长716 m,静水压力可到6.8 MPa。随后,也建立了自由场水声声压校准装置。杭州应用声学研究所(HAARI)作为我国从事水声计量测试研究的中心,于本世纪初建立了直径4 m、长12 m的高压消声水池,最大静水压力可达10 MPa。在此基础上,通过研究,建立了高静水压下自由场水声声压标准装置,能在2~200 kHz频率范围内,011~10 MPa静水压力下测定标准水听器的自由场灵敏度和标准发射器的电流发送响应。

    2方法原理

    校准原理采用自由场球面波互易校准方法[2,3],它是利用互易换能器遵守的电声互易原理进行校准的一种绝对校准方法。该方法需要使用3个换能器,其中至少有一个换能器为具有线性、无源、可逆特性的互易换能器(H)、另两个分别是发射器(F)和被校水听器(J),对这两个换能器则只要求满足线性条件。在自由场远场条件下按图1所示组合进行3次测量,分别测量每个换能器对中输入发射换能器的电流和接收水听器的开路电压,或其电转移阻抗,通过计算就能获得被校水听器的自由场灵敏度MJ,其计算公式为:

    式中,Q为水的密度;f为频率;|ZFH|、|ZHJ|和|ZFJ|分别为发射器和互易换能器对、互易换能器和水听器对、发射器和水听器对之间转移阻抗的幅值。

    3高压消声水池系统

    高压消声水池是在高静水压下开展标准水听器自由场灵敏度校准的基础,其结构如图2所示。它是一个具有特殊结构的封闭式水罐,密封后可加很高的静水压以模拟深海大洋中的高静水压;通过调节水罐内的水温,可以模拟海洋环境的温度变化。在罐体外围配备有温度和压力控制系统进行变温和变压控制。同时,为得到良好的测试声场,减少声波在罐体内的混响时间,在罐体内敷设了经特殊处理的木质尖劈作为吸声器件。该系统的压力控制范围为011~10 MPa;水温控制范围为4~40e;有大小两个安装孔,其直径分别为118 m和0176 m,最大承重可达2 000 kg,且大小安装孔上的吊杆都可作360b回转,小安装孔上的吊杆可作最大500 mm升降。