水声换能器动态校准试验环境的设计

　　0 概述

　　水声换能器也称声呐换能器,它是在水中发射和接收声波的装置。在实际应用中,水声换能器的安装平台处于潜艇左右舷侧的舯、舰部位,潜艇的振动与声环境相互耦合。因此对于水声换能器的校准,单独以一般的声学性能(如声灵敏度)来考核是很不全面的,除了声学响应外,还应当考虑潜艇振动对其动态校准的影响。当今,国内外在这方面的研究设计也很少见。因此,本文就鉴于在复杂、交互作用的振与声环境中,综合考虑水听器及其阵列的振动与声性能,而提出一套试验环境设计系统。

　　1 校准系统总体结构

　　这套校准系统它是在实验室条件下,从模拟水听器及其基体振动、水声信号产生、控制环节设计、到数据采集、结果分析,可以归结为四部分组成:机械执行单元、控制单元、测量转换单元和试验环境。其校准系统方框图,如图1所示。

　　系统中,振动台面上控制点的振动加速度由加速度传感器拾取下来,传到微机上,控制信号发生器产生所需的信号,经功率放大器驱动水平振动台振动。然后在试验环境中,水声换能器的模拟振动信号由加速度计采得,和声信号及振动台振动信号一起经二次仪表的放大处理,并经A/D转换后进行分析处理。测量转换单元中,主要的仪器仪表购置即可。其主要作用是使采得的信号经二次仪表处理后,再经A/D转换进行分析处理,得出所需的结论。

　　2 试验环境的设计

　　(1)振动台的设计

　　在机械执行单元中,水平振动台是用于模拟水声换能器及其基体的振动情况,它是系统设计中的关键非标设备。其工作频率范围为10Hz~2500Hz。设计应考虑到:

　　在高频端工作时,要使电动力有效地传到工作台面,台面与骨架必须有足够的刚度,使运动部件内部不会产生模态共振和工作台面的模片化,避免能量在内部消耗和台面振动不均匀;由于大尺寸、大试件,提高运动部件的一阶轴向共振频率是设计的关键技术,必须采用比刚度大的材料、以及动圈骨架和台面一体化结构设计技术,才能满足一阶轴向共振频率大于2500Hz的要求。在低频段时,由于振动位移较大,在水中会产生较大的阻力,此时应对谐波失真控制。为此采用深度负反馈的功率放大器和信号波形可改变的信号发生器。

　　在台面形状上应尽量减少在水中振动的声辐射。台面距离池壁不小于50cm,以减少池壁的影响。

　　由于水阻力的作用,台面除主振外,将产生横向振动。采用静压导轨技术可大大减少台面的横向振动,达到以一维振动为主的目的。

　　为减少实验室内噪声的影响,要求对设备的噪声进行控制。为此,振动台的励磁系统采用永磁结构,以便排除电动式振动台冷却风机的噪声和励磁线圈产生的电磁噪声;功率放大器的风冷改为水冷,以便排除风扇噪声。