[发明专利]一种实时测量低频换能器深海性能的装置及方法

说明书

本发明公开了一种实时测量低频换能器深海性能的装置及方法，涉及水声换能器领域，该装置由电子仓、电池舱、监听水听器等组成，各组件集成于浮力框架内；装置主体下设挂点，用于挂载待测换能器；装置上下还设有承力点，可使用船载绞车将装置主体及换能器放至指定深度，或者通过额外的系留装置以潜标的形式布放至指定深度。本装置使用灵活，由电子系统驱动发射换能器工作，通过深度传感器记录实时深度信息，通过读取同一时刻监听水听器开路电压值，建立深度‑监听水听器信号‑发射换能器声源级的映射关系，可实现低频、大尺寸换能器深海高静水压条件下性能的准确测试，解决了以往无法准确获取低频换能器实际深水性能的难题。

技术领域

本发明涉及水声换能器的领域，具体涉及一种实时测量低频换能器深海性能的装置及方法。

背景技术

水中声波信号的传播损失与工作频率紧密相关，频率越高则吸收衰减系数越大，传输距离越短。反过来说，传输距离越远，则要求工作频率越低，工作带宽越窄，通信速率越低。声波在水中(包括海水)的衰减与频率的平方成正比，声波频率从0.5kHz上升到1kHz，距离100km的吸收衰减从2.5dB增大到7.4dB，而7kHz频率的吸收衰减更是达到了63dB。可见，采用数百赫兹频段声波作为信息传送的载体是目前海中实现超远距离通信、探测的唯一手段。深海低频换能器的性能稳定性是影响低频声纳系统使用效果的主要因素，深海环境具有高静水压和低温两大特点，受材料特性、结构形式等因素的影响，换能器的声学性能随压力升高、温度降低往往发生变化，严重时会发生频率飘移、阻抗升高、响应下降等情况，导致声纳系统发射信号的声源级降低、频率成分变化，直接影响系统功能实现。

换能器在深海环境下的实际性能对设计深海声学系统有重要意义。对于体积较小、频率较高的换能器，可设计耐高静水压消声水池进行测试，当采用常规的脉冲声技术测量时，高压消声水池的测量频率下限较高，通常在(2～3)kHz以上。而对于体积较大、频率较低的换能器(特别是1kHz以下频段)，吸声材料在低频率、高静水压条件下性能较差，密闭容器内声场散射叠加影响严重，不具备自由场远场测量条件，无法采用常规的脉冲声测量方法测试其声学性能。关于深海(高静水压)条件下的低频发射换能器测试方法少见相关报道，“CN102997988大型潜标矢量水听器低频声学指向性的水池测试方法”提出对矢量水听器指向性的常压水池测量方法；“CN103743469A压电水声换能器声辐射模态测量方法及系统”提出基于近场声全息的声辐射模态测量方法，是从声辐射模态这一角度分析评估换能器性能，并未解决高静水压下低频换能器性能测试问题；“CN108007552A一种高静水压下水声发射换能器声学性能测量方法”提出在透光压力水罐中，利用光学方法测量换能器质点振速从而获取声学性能的方法，但该方法其目的是解决传统测试方法中接收水听器本身灵敏度随压力变化的问题，对于高压密闭容器系统自身的测试截止频率下限拓展并无帮助，依然无法解决低频/甚低频发射换能器深水性能测试的难题；

对于低频发射换能器深海性能测量问题，可供考虑的一种解决方法是通过特殊设计的测量算法，大幅减小或者消除反射声波对直达声波的影响，模拟自由场水声环境，从而获得换能器低频声学参数。如专利“CN105652263B一种水声发射器声源级非自由场时反聚焦测量方法”是根据声传播的时反互易性原理，降低测量环境边界导致的混响对测量信号的影响，其测试结果需进行修正方可与传统的换能器测量方法比较，而修正需将待测发射换能器替换成标准发射换能器，但标准发射换能器在深水环境下的性能也难以准确测量，造成其方法的局限性。总体上，该类方法本身存在一定的局限性，有的算法对测试声场有明确的要求，有的对装夹定位装置等辅助设施有特殊要求，使用类似方法测试结果与换能器实际性能存在一定的差异，且无法准确模拟深海低温环境。另一种解决方法是构建深海自容式测试平台，搭载船只释放至指定深度进行实际深度下性能测试，本发明即是采用了该种方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种实时测量低频换能器深海性能的装置及方法，可开展各种类型的大尺寸低频换能器深水性能测试。