低頻水聲計量校準方案實現(xiàn)

陳新寧　王武華

(中國人民解放軍91388部隊，湛江 524022)

0　引言

隨著水聲通信及水聲測控設(shè)備的工作頻率逐漸向低頻頻域擴展，建立水聲低頻(20Hz～2kHz)計量標準裝置，解決水聲測量設(shè)備(水聽器、換能器)低頻段的量值傳遞問題，是水聲計量工作的首要任務(wù)。目前國內(nèi)外測量水聽器低頻段的校準方法有：密閉腔比較法、活塞發(fā)聲器法和振動液柱法。密閉腔比較法要獲得較高的上限頻率應(yīng)采用置換比較法，但此法要求被校水聽器與標準水聽器的幾何尺寸相近，這就限制了其使用范圍，且發(fā)射源的頻率也很難做得很低；活塞發(fā)聲器法的校準頻段僅為1～50Hz，頻率范圍窄；振動液柱法是通過振動加速度的測量來校準標準水聽器聲壓靈敏度的方法，是適合于在低頻率下使用的絕對方法，是國家軍用標準GJB/J 3803—99推薦的水聽器低頻校準方法，采用振動液柱法建立低頻水聲計量標準是可行方案。

1　總體設(shè)計方案

為實現(xiàn)自動化控制和測量，振動液柱法校準水聽器的方案構(gòu)建是以計算機為中心的測量振動臺振動幅值和回饋控制振動的閉環(huán)系統(tǒng)(如圖1所示)，系統(tǒng)的核心控制執(zhí)行機構(gòu)即為振動液柱校準控制儀，系統(tǒng)采用USB方式通信，并引入多通道高速數(shù)據(jù)采集，獨立水聽器測量通道，振動液柱校準控制儀的集成構(gòu)建利于系統(tǒng)構(gòu)架的靈活性和處理信號方法的多樣性，方便各種測試需求。

圖1　低頻水聲計量校準方案示意圖

2　振動液柱法的聲壓靈敏度算法簡化

振動液柱法是屬于阻抗校準法，即待校水聽器的聲壓靈敏度Me=eoc/pa，是通過直接測量待校水聽器開路輸出電壓eoc和間接測量作用在水聽器上的實加聲壓pa求得，pa利用介質(zhì)的聲阻抗和邊界條件以及聲源的參數(shù)求出。

此法要求充水開口圓管的內(nèi)徑(2a)應(yīng)遠小于水中聲波波長l(即2a<

(1)

(2)

式中：ea為測量時加速度計的開路輸出電壓，V；Sea為其電壓靈敏度，V·s2/m。

(3)

(4)

振動液柱法是一種使用簡便的低頻水聽器絕對校準方法，由于被校準水聽器工作在遠離諧振頻率的低頻段，因此這里的聲壓靈敏度等同于自由場電壓靈敏度。

3　標準振動臺設(shè)計

標準振動臺是整個校準方案的關(guān)鍵設(shè)備，要求具有重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、頻率成份單一，并具有推力大、失真小、臺面均勻度好等特性，采用氣囊作為空氣彈簧，彈性好，承載力強，雙磁路設(shè)計，三軸導(dǎo)向與直線軸承導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。標準振動裝置臺體部分包括以下幾部分組成：1)臺面連動圈、2)空氣彈簧、3)磁芯連底盤、4)磁竄、5)勵磁線圈、6)消磁線圈、7)導(dǎo)向軸承、8)風(fēng)機、9)限位開關(guān)?，F(xiàn)就臺面連動圈、空氣彈簧設(shè)計思想介紹如下。

3.1　臺面連動圈

本裝置將臺面和動圈做成合體結(jié)構(gòu)(如圖2所示)。用鋁鎂合金澆鑄經(jīng)機加工以后保證幾何形狀對稱，并要求動態(tài)平衡。使動圈在振動過程中不會因為重心偏移而產(chǎn)生慣性力矩，這樣可以減少臺面產(chǎn)生橫向振動，以利提高波形質(zhì)量。

圖2　振動臺體結(jié)構(gòu)圖

動圈由兩組線圈組成，都用直徑為1.61mm的高強度漆包線繞制。因考慮到最大振幅為2cm，故取線圈總高度為101mm，均勻磁場內(nèi)高度為40mm，均勻磁場外高度為70mm。又因考慮到磁軛下部總漏磁比上部大，所以高度分配為下部30mm，上部40mm。線圈在繞制中用環(huán)氧樹脂澆固。動圈連臺面總重量為3kg。

3.2　空氣彈簧

空氣彈簧是支撐活動系統(tǒng)的部件，也是實現(xiàn)具有良好低頻振動波形的關(guān)鍵之一。過去國外進口的商用低頻振動臺，其低頻波形失真大的主要原因，除功率放大器低頻性能差外，更主要的原因還是活動系統(tǒng)的支撐元件所造成。

一般情況下，都是采用金屬彈簧做支撐元件。振動臺的活動系統(tǒng)如果采用金屬彈簧做支撐，其缺點一是活動系統(tǒng)的自振頻率不可能做得足夠低，這樣勢必使活動系統(tǒng)的自振頻率落在工件頻率的范圍內(nèi)而造成在工作過程中使活動系統(tǒng)產(chǎn)生共振。共振除引起系統(tǒng)本身的動平衡狀態(tài)遭到破壞外，還很容易激起高次諧波的產(chǎn)生。其次，由于校準水聽器的容器和液體較重，放置在臺面上后使活動系統(tǒng)下沉過大而影響活動系統(tǒng)的線性工作狀態(tài)。以上兩個原因都會造成臺面振動波形的失真。

空氣彈簧系用橡膠壓制成一定幾何形狀的氣裹，內(nèi)充空氣，它與活動系統(tǒng)質(zhì)量的配合可實現(xiàn)比金屬彈簧所能實現(xiàn)的更低的自振頻率，更主要是因為橡膠本身的阻尼性能好，能起著隔離和吸收高次諧波的作用。

4　振動液柱校準控制儀的組成及工作原理

4.1　振動液柱校準控制儀的組成

振動臺的低頻振動對加速度計能夠產(chǎn)生的激勵信號和水聽器接受的信號都非常微弱，一般為微伏級，對這些信號的采集并多級濾波放大是振動液柱校準控制儀需解決的首要問題，總體布局見圖3。

圖3　振動液柱校準控制儀結(jié)構(gòu)功能框圖

如圖3功能框圖，為減小部件內(nèi)部相互干擾和各部件之間的相互干擾，本儀器進行了合理布局，并對各組件進行了嚴格的屏蔽，模擬電路與數(shù)字電路各自獨立分開，控制儀將控制單元、顯示單元、供電單元、濾波單元及功放單元完全隔離，利用屏蔽線連接，達到很好的抗干擾效果。

4.2　振動液柱校準控制儀的工作原理

振動液柱校準控制儀的整體設(shè)計框圖及原理圖如圖4所示。

圖4　振動液柱校準控制儀整體設(shè)計框圖

由圖4設(shè)計框圖可知，以單片機89C52為核心的控制單元，通過一片16位的A/D轉(zhuǎn)換完成CHA(水聽器)及CHB(加速度計)兩路放大器的信號采集，根據(jù)采集到的信號判斷程控放大的放大倍數(shù)及高低通濾波器的濾波截至頻率上下限，同時利用電子多路開關(guān)實現(xiàn)多串口通訊分時全雙工，完成彩色液晶顯示和主機通信的操作，根據(jù)與主機的數(shù)據(jù)通信，給主機提供發(fā)激勵信號的參考指令，完成振動臺上的各項設(shè)置。

5　不確定度分析

采用8104標準水聽器作為穩(wěn)定的被測件，分B類評定方法和A類評定方法，然后合成本裝置的標準不確定度，從圖1低頻水聲計量校準方案和裝置工作原理可知，系統(tǒng)測試復(fù)雜，測量過程引入測量結(jié)果不確定度分量較多。

5.1　B類評定

1)加速度計電荷靈敏度引入的不確定度分量uB1，正態(tài)分布；

2)數(shù)據(jù)采集器測量引入的不確定度分量uB2，正態(tài)分布；

3)液柱深度和被校件入水深度測量誤差引入不確定度分量uB3，正態(tài)分布；

4)前置放大器輸入阻抗不足引入不確定度分量為uB4，均勻分布；

5)由于振動液柱法校準方法，聲場不均勻引入不確定度分量為uB5，均勻分布；

6)液柱中聲速誤差引入不確定度分量為uB6，均勻分布；

7)用手冊中給出的標準值，對于除氣水在常溫下取1000kg/m3，液體密度誤差不大于±0.5％，引入不確定度分量uB7，均勻分布；

8)合成函數(shù)發(fā)生器頻率誤差引入不確定度分量為uB8，均勻分布；

9)振動液柱校準測試儀最大相對誤差引入不確定度分量為uB9，正態(tài)分布；

10)忽略重力落差引起的不確定度分量uB10；

11)由波動修正因子誤差引入的不確定度分量uB11；

12)由振動臺加速度波形失真引入的不確定度分量uB12，正態(tài)分布；

由式(1)～(4)可得：

引入以上數(shù)據(jù)計算得到本裝置B類評定標準不確定度為：uB=0.27dB

5.2　A類評定

A類評定不確定度采用多次測量的實驗室標準偏差表征，對保留被測件8104水聽器測量6組數(shù)據(jù)，測試頻率20Hz～2kHz,按1/3倍頻程選取測試頻率點，根據(jù)貝塞爾法，用下式計算實驗室標準偏差：

通過對6組數(shù)據(jù)計算，A類評定標準不確定度為：uA=0.06dB

5.3　不確定度合成

6　結(jié)論

本文在對振動液柱法的聲壓靈敏度算法簡化基礎(chǔ)上，進行低頻水聲計量校準方案設(shè)計。使用證明，本裝置設(shè)計的標準振動臺在提高推力指標的同時，兼顧了橫向振動比和臺面均勻性的要求，標準振動臺隔振措施采用彈簧隔振，整個系統(tǒng)組成一個彈簧懸掛系統(tǒng)，懸掛系統(tǒng)的固有頻率只與質(zhì)量塊的質(zhì)量和彈簧的剛度有關(guān)。振動液柱管選用鈦鋼，為了能滿足不同尺寸水聽器的校準需要，又能滿足不同校準頻率的需要，將校準容器設(shè)計多種尺寸，根據(jù)不同任務(wù)選用不同的尺寸，振動液柱校準控制儀集成了數(shù)據(jù)采集、儀器控制與數(shù)據(jù)分析的功能，成功解決了水聲專用裝備的低頻水聲聲壓靈敏度參數(shù)量值傳遞的關(guān)鍵問題，技術(shù)指標滿足校準低頻水聽器要求，方案中使用的前置放大無噪聲偏置技術(shù)以及具有放大電荷和微伏級電壓放大能力的電荷放大器的運用，都對水聲測控領(lǐng)域具有一定的借鑒意義。

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