基于LabVIEW的換能器輻射聲場自動測量系統(tǒng)

王偉印 陳毅 王世全 賈廣慧

（第七一五研究所，杭州，310023）

換能器的輻射聲場分布是衡量換能器性能狀態(tài)的一個重要指標，目前大多采用水聽器掃描法對其進行測量。但該方法需要對聲場分布進行逐點掃描測量，手動測量不僅費時費力，還會給測量數(shù)據帶來誤差。因此，有必要設計一套自動測量系統(tǒng)，以實現(xiàn)換能器聲場分布的高效、自動測量。

傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)軟件大多采用VB或VC編寫，對編程人員的能力要求較高，且開發(fā)周期較長。隨著虛擬儀器技術的發(fā)展，LabVIEW 被越來越多地應用到測量控制系統(tǒng)中，與 VB 、VC 相比，其具有上手快、開發(fā)周期短、軟件界面形象生動等優(yōu)點[1]。本文利用LabVIEW設計了一套換能器輻射聲場自動測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠有效提高測量效率，減輕測量人員的工作強度，而且具有調試方便、可靠性高、可移植性強的特點。目前，該系統(tǒng)已在實際測量中得到應用。

1 聲場測量基本原理

換能器輻射聲場的測量方法主要可分為水聽器掃描法和光學法，本文只對水聽器掃描法的測量原理作簡要介紹。

水聽器是換能器輻射聲場測量系統(tǒng)中的核心器件，它主要用于接收水中聲壓信號，并能在聲壓信號的作用下，產生相應的電壓信號，兩者之間的關系為：

式中，M為水聽器的接收靈敏度；(x,y,z)為聲場中任意一點；t為瞬時時間；U(x,y,z,t)為水聽器的電纜末端輸出電壓；P(x,y,z,t)為作用在水聽器敏感元件上的瞬時聲壓。

將水聽器安裝在高精度三維掃描運動機構上，借助于運動機構在水下聲場中逐點運動，測量并記錄各點處的水聽器輸出電壓。然后根據公式（1），在M已知的情況下，可求得各點處的聲壓值，從而獲取換能器在水下的輻射聲場分布[2]，其原理示意見圖1。

圖1 水聽器掃描法原理示意圖

2 聲場自動測量系統(tǒng)設計

2.1 硬件系統(tǒng)設計

自動測量系統(tǒng)的硬件部分主要由水聲信號發(fā)射系統(tǒng)、水聲信號測量系統(tǒng)以及掃描回轉機構組成，其總體結構示意圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)總體結構示意圖

圖中，水聲信號發(fā)射系統(tǒng)由信號源、功率放大器、發(fā)射換能器組成，它的主要功能是向水中發(fā)射測量所需的脈沖聲波；水聲信號測量系統(tǒng)由水聽器、前置放大器、濾波器、示波器組成，用于對信號進行采集分析；掃描回轉機構則主要是為水聲換能器提供安裝位置，并控制換能器在水池中的三維移動及旋轉。

2.2 軟件系統(tǒng)設計

自動測量系統(tǒng)的軟件部分利用LabVIEW編寫完成，因其具有強大的儀器驅動庫，能實現(xiàn)和多種儀器的連接。軟件設計流程圖如圖3所示，軟件前面板如圖4所示，軟件后面板即程序部分如圖5所示。整個軟件系統(tǒng)可分為三個模塊：信號源控制模塊、示波器控制模塊、電機控制模塊，下面分別對各個模塊的設計過程作簡要介紹。

圖3 軟件設計流程圖

圖4 軟件前面板

圖5 軟件后面板

2.2.1 信號源控制模塊

換能器輻射聲場自動測量系統(tǒng)中采用的信號源型號為KEYSIGHT 33612A，該型信號源可通過多種接口與上位機進行通信?？紤]到系統(tǒng)軟件與現(xiàn)有測試系統(tǒng)的兼容性，本文采用GPIB通信方式對信號源進行控制。

NI(National Instruments)官網上提供的33612A驅動程序，它將信號源的通道、觸發(fā)方式、頻率、幅值、波形等功能參數(shù)封裝成相對應的子VI，可以多次調用而不用重復編程[3]。根據實際測量中的需求，在 LabVIEW 中依次調用了驅動程序中的Initialize、Configure Standard Waveform、Configure Burst等子VI完成對信號源控制程序的編寫。通過調用信號源控制模塊，計算機能夠控制信號源生成頻率、幅值等各參數(shù)可調的脈沖或連續(xù)波形。信號源模塊的控制程序如圖6所示。

圖6 信號源模塊的控制程序

2.2.2 示波器控制模塊

與控制信號源類似，利用示波器所對應的驅動程序，根據實際需要依次調用驅動程序中封裝好的子VI，完成示波器控制程序的編寫。通過調用示波器控制模塊，計算機能夠控制示波器的通道、量程、延遲時間、時基等參數(shù)，對被測信號進行采集。

為了獲取被測信號的幅值和相位信息，本文利用LabVIEW函數(shù)庫中的單頻測量函數(shù)對被測信號進行了FFT分析，并將得到的幅值和相位數(shù)據自動保存到Excel表中。同時，還在示波器控制程序中設計了根據實際信號幅值自動調整示波器量程的程序，以使測量結果更加準確、測量過程更加智能。示波器的部分控制程序如圖7所示。

圖7 示波器模塊的控制程序

2.2.3 電機控制模塊

換能器輻射聲場自動測量系統(tǒng)中采用的三維運動機構能夠精確控制換能器或水聽器在水箱中的位置移動及旋轉。為了滿足實際聲場測量中自動掃描的需要，本文對運動機構中的電機進行了程控。

計算機與電機控制單元之間通過 USB轉RS232串口線連接，根據廠家提供的modbus通訊協(xié)議進行編程。結合實際需要，依次設置好加減速系數(shù)、運行速度等參數(shù)，實現(xiàn)對電機正轉、反轉、急停等動作的控制，進而控制運動機構的三維運動及旋轉?，F(xiàn)以控制運動機構向右移動為例，給出其控制程序如圖8所示。

圖8 電機控制模塊中的右移程序

3 聲場仿真與實驗

為了檢驗換能器輻射聲場自動測量系統(tǒng)的可行性，本文對直徑2.6 cm、工作頻率180 kHz的圓面活塞換能器的聲場分布進行了理論仿真，然后利用設計的自動測量系統(tǒng)對該換能器的聲場分布進行了實際測量，現(xiàn)對仿真與測量過程作簡要介紹。

設在無限大平面障板上嵌有一個半徑為a的圓面活塞換能器，靜止時換能器表面與障板表面在同一平面上，當活塞以速度u=uaejωt振動時，換能器將向障板前面的半空間輻射聲波[4]。以活塞中心為坐標原點，活塞所在的平面為xOy平面，過坐標原點且垂直于活塞平面的直線為z軸，建立坐標系如圖9所示。

圖9 圓面活塞換能器輻射示意圖

由瑞利公式可得活塞聲源在空間任意一點處的聲壓表達式為：

式中，ρ0、c0分別表示聲場中傳播介質的密度和聲速；k表示波數(shù)；h表示面元ds到點P的距離，其數(shù)學表達式為：

取a=2.6 cm，頻率f=180 kHz，距離z=3 cm，根據式（2）、（3）對換能器的近場聲壓分布進行仿真，得到的聲場分布如圖10所示。

圖10 聲場分布仿真結果

圖11 聲場分布測量結果

在對聲場的實際測量中，使用的水聽器為探針水聽器。將水聽器放置在距換能器輻射面3 cm處，運用自動測量系統(tǒng)，在以換能器聲軸為中心的 4 cm×4 cm平面上進行掃描，步進間距0.1 cm，共測量1 600個點，用時約1 h，得到的聲場分布如圖11所示。

對比圖10與圖11可以發(fā)現(xiàn)，實驗測量結果與理論仿真結果十分一致，但兩者之間也存在一定的偏差：實際測量出的聲場旁瓣并不像仿真結果那樣呈現(xiàn)規(guī)則的圓形，邊緣沒有仿真結果清晰，且實際旁瓣大小比仿真結果略大。分析認為，出現(xiàn)偏差的原因可能是由于換能器不同陣元間振動不一致、安裝位置偏差以及換能器與水聽器距離調整誤差、換能器輻射聲場自動測量系統(tǒng)的測量誤差等多方面因素導致。后續(xù)工作中，將致力于提高測量系統(tǒng)的測量精度，并進一步優(yōu)化軟件，使聲場測量結果更加準確、測量速度更加快速。

4 結束語

本文研究了一種基于 LabVIEW的換能器輻射聲場自動測量系統(tǒng)，給出了利用該系統(tǒng)測出的換能器在水下的輻射聲場分布，并將測量結果與仿真結果進行了對比。通過本文的研究可以得到如下結論：

（1）本文系統(tǒng)可以對換能器的輻射聲場分布進行快速、自動測量，測量結果準確可靠。

（2）與常規(guī)的采用VB、VC語言相比，借助于LabVIEW不需要太多的編程經驗，就能夠在短時間內開發(fā)出一套自動測量系統(tǒng)，適用于自動測量系統(tǒng)的快速搭建。

（3）本文設計的自動測量系統(tǒng)，每小時能掃描約1 800個數(shù)據點。當被測聲場面積較大時，被測數(shù)據點較多，以7 200個數(shù)據點為例，則一次完整的聲場掃描測量需要近 4 h，耗時較長。因此，如何在保證測量數(shù)據準確的情況下，進一步提高聲場掃描速度，將在后續(xù)工作中研究。