一种自动化声纳换能器测量系统设计与实现

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1、一种自动化声纳换能器测量系统设计与实现　　摘要：文章针对声纳换能器的测试需求，对声纳换能器自动测量系统展开研究，对声纳水池测量系统的基本组成和总体结构进行研究，给出了具体实现方法。　　关键词：自动化；声纳；换能器；测量系统　　1概述　　在海军作战体系中，水下的信息化作战是非常重要的组成部分。声纳作为水下信息化作战的核心装备，越来越多的受到各军事强国的重视。声纳装备主要由水下分机（水声换能器）、发射机、接收机、电源机柜和显控台几个部分组成。其中水声换能器是将发射机提供的脉冲电信号转换为声信号，并在水下向目标发射出去，声信号在水下

2、传播，遇到目标及其他物体，部分波会反射回，经换能器转换为电信号，送接收机处理[1][2]。水声换能器的性能指标能够直接影响整部声纳对目标的检测性能[3]，这是因为换能器获得的增益是实实在在的，如果水声换能器的设计和制作出现影响声纳性能的缺陷，则会直接影响声纳的正常工作。在军用声纳领域，换能器的指标和性能是否满足使用要求，关系到全舰、全艇的作战性能甚至航行安全。声纳换能器由于工作环境的特殊性，其老化速度和老化程度与使用时间和使用环境有着密不可分的联系。为了保持声纳换能器的技术性能，需要对声纳水下声系统进行定期检测和维护。　　2声

3、纳换能器电声测量内容和方法　　声纳水下换能器电参数测量包括：静态电容、绝缘电阻、阻抗、接收灵敏度及一致性、基元指向性和基元声源级测量，其中静态电容和绝缘电阻这两个项目可用通用电容表和绝缘表进行测量，阻抗的测量可以采用专用的阻抗测试仪或者数字电桥进行测量，接收灵敏度、一致性、指向性和基元声源级测量需要在水下完成测试。　　2.1灵敏度测量　　换能器自由场电压灵敏度一般是在球面波自由场中测量的。声场布置满足远场条件，测量方法一般采用自由场比较法，需要一个辅助发射换能器（发射换能器），在一定频率上发射足够大的声信号，另外需要一个标准水

4、听器并将其接收信号幅度作为参考。在实际测量中，将待测换能器和标准水听器先后放入声场中同一位置处，让它们接收相同的声压，然后比较它们的开路输出电压。自由场比较法测量换能器自由场电压灵敏度的测量框图，如图1所示。　　2.2发送响应测量　　换能器发送响应通常是指发送电压响应、发送电流响应和发送功率响应。换能器发送响应测量是在自由场中进行的，所以声场布置应满足远场条件，测量方法一般采用自由场比较法，因此在实际测量中，需要一个标准水听器来测量换能器在?h场上的辐射声压。　　利用自由场比较法测量换能器发送响应的测量框图，如图2所示。　　2

5、.3指向性测量　　指向性是指换能器的发送响应或自由场灵敏度随发送或入射声波方向变化的特性，一般用指向性图来表示。指向性图通常要作归一化处理，因为它是任一方向上发送响应，或者接收灵敏度相对于参考方向（通常为声轴方向）上发送响应，再或者接收灵敏度的变化曲线，即将轴向发送响应或接收灵敏度设为0dB，再将任意方向上的发送响应或接收灵敏度与轴向发送响应或接收灵敏度的比值随方向的变化用极坐标或者直角坐标下的图形表示出来。　　如果换能器是互易的，则它的发射指向性图和接收指向性图是相同的，否则发射指向性图和接收指向性图是有差异的。　　发射换能

6、器指向性的测量如图3所示，待测换能器发射声波，标准水听器接收声波。　　接收换能器指向性的测量如图4所示，发射换能器发射声波，待测换能器接收声波。通常指向性图是用极坐标图进行描述的。在实际进行指向性测量时，为了确保测量的准确性，升降回转装置如有抖动则应采取隔振措施。此外还需要在测量换能器指向性之前，先适当调整发射信号的大小和接收系统增益的大小。　　每个换能器在检验和调试过程中都需要对以上技术参数进行测量，测试工作量非常巨大，设计并建设一套高精度快速声纳水池电声参数自动测量系统势在必行。　　3自动化换能器测量系统设计　　依据上述声

7、纳换能器电声测量项目内容和测试方法，将声纳水池测量系统基本机构划分为自动测量系统、消声水池、升降回转系统和测量换能器四个部分组成。其中消声水池提供测量的测试环境，升降回转系统控制被测换能器和基阵的空间测量姿态，自动测量系统和换能器共同承担测量的信号的产生、发射、接收、放大、滤波、信号处理和结果显示功能。根据上述分析，提出声纳换能器水池测量系统的基本结构和框图，整个水声换能器电声参数测量系统的组成如图5所示。　　（1）发射部分主要由信号源板、功率放大器、电压电流取样器和发射换能器组成，主要功能是向水中发射一定频率、周期和脉冲宽度

8、的脉冲声信号。　　（2）接收部分主要由标准水听器、被测水听器、电子开关、测量放大器、多通道滤波器和多通道示波器组成，主要功能是接收声信号，声信号经过信号调理后进入后续的信号采集处理部分。　　（3）信号采集处理部分主要是由控制计算机、多通道示波器、信号采集处理软件等组成，信号采