低频水声计量校准方案实现
2014-03-22陈新宁王武华
陈新宁 王武华
(中国人民解放军91388部队，湛江 524022)
0 引言
随着水声通信及水声测控设备的工作频率逐渐向低频频域扩展，建立水声低频(20Hz～2kHz)计量标准装置，解决水声测量设备(水听器、换能器)低频段的量值传递问题，是水声计量工作的首要任务。目前国内外测量水听器低频段的校准方法有：密闭腔比较法、活塞发声器法和振动液柱法。密闭腔比较法要获得较高的上限频率应采用置换比较法，但此法要求被校水听器与标准水听器的几何尺寸相近，这就限制了其使用范围，且发射源的频率也很难做得很低；活塞发声器法的校准频段仅为1～50Hz，频率范围窄；振动液柱法是通过振动加速度的测量来校准标准水听器声压灵敏度的方法，是适合于在低频率下使用的绝对方法，是国家军用标准GJB/J 3803—99推荐的水听器低频校准方法，采用振动液柱法建立低频水声计量标准是可行方案。
1 总体设计方案
为实现自动化控制和测量，振动液柱法校准水听器的方案构建是以计算机为中心的测量振动台振动幅值和回馈控制振动的闭环系统(如图1所示)，系统的核心控制执行机构即为振动液柱校准控制仪，系统采用USB方式通信，并引入多通道高速数据采集，独立水听器测量通道，振动液柱校准控制仪的集成构建利于系统构架的灵活性和处理信号方法的多样性，方便各种测试需求。
图1 低频水声计量校准方案示意图
2 振动液柱法的声压灵敏度算法简化
振动液柱法是属于阻抗校准法，即待校水听器的声压灵敏度Me=eoc/pa，是通过直接测量待校水听器开路输出电压eoc和间接测量作用在水听器上的实加声压pa求得，pa利用介质的声阻抗和边界条件以及声源的参数求出。
此法要求充水开口圆管的内径(2a)应远小于水中声波波长l(即2a< (1) (2) 式中：ea为测量时加速度计的开路输出电压，V；Sea为其电压灵敏度，V·s2/m。 (3) (4) 振动液柱法是一种使用简便的低频水听器绝对校准方法，由于被校准水听器工作在远离谐振频率的低频段，因此这里的声压灵敏度等同于自由场电压灵敏度。 标准振动台是整个校准方案的关键设备，要求具有重复性好、稳定性高、频率成份单一，并具有推力大、失真小、台面均匀度好等特性，采用气囊作为空气弹簧，弹性好，承载力强，双磁路设计，三轴导向与直线轴承导向结构。标准振动装置台体部分包括以下几部分组成：1)台面连动圈、2)空气弹簧、3)磁芯连底盘、4)磁窜、5)励磁线圈、6)消磁线圈、7)导向轴承、8)风机、9)限位开关。现就台面连动圈、空气弹簧设计思想介绍如下。 本装置将台面和动圈做成合体结构(如图2所示)。用铝镁合金浇铸经机加工以后保证几何形状对称，并要求动态平衡。使动圈在振动过程中不会因为重心偏移而产生惯性力矩，这样可以减少台面产生横向振动，以利提高波形质量。 图2 振动台体结构图 动圈由两组线圈组成，都用直径为1.61mm的高强度漆包线绕制。因考虑到最大振幅为2cm，故取线圈总高度为101mm，均匀磁场内高度为40mm，均匀磁场外高度为70mm。又因考虑到磁轭下部总漏磁比上部大，所以高度分配为下部30mm，上部40mm。线圈在绕制中用环氧树脂浇固。动圈连台面总重量为3kg。 空气弹簧是支撑活动系统的部件，也是实现具有良好低频振动波形的关键之一。过去国外进口的商用低频振动台，其低频波形失真大的主要原因，除功率放大器低频性能差外，更主要的原因还是活动系统的支撑元件所造成。 一般情况下，都是采用金属弹簧做支撑元件。振动台的活动系统如果采用金属弹簧做支撑，其缺点一是活动系统的自振频率不可能做得足够低，这样势必使活动系统的自振频率落在工件频率的范围内而造成在工作过程中使活动系统产生共振。共振除引起系统本身的动平衡状态遭到破坏外，还很容易激起高次谐波的产生。其次，由于校准水听器的容器和液体较重，放置在台面上后使活动系统下沉过大而影响活动系统的线性工作状态。以上两个原因都会造成台面振动波形的失真。 空气弹簧系用橡胶压制成一定几何形状的气裹，内充空气，它与活动系统质量的配合可实现比金属弹簧所能实现的更低的自振频率，更主要是因为橡胶本身的阻尼性能好，能起着隔离和吸收高次谐波的作用。 振动台的低频振动对加速度计能够产生的激励信号和水听器接受的信号都非常微弱，一般为微伏级，对这些信号的采集并多级滤波放大是振动液柱校准控制仪需解决的首要问题，总体布局见图3。 图3 振动液柱校准控制仪结构功能框图 如图3功能框图，为减小部件内部相互干扰和各部件之间的相互干扰，本仪器进行了合理布局，并对各组件进行了严格的屏蔽，模拟电路与数字电路各自独立分开，控制仪将控制单元、显示单元、供电单元、滤波单元及功放单元完全隔离，利用屏蔽线连接，达到很好的抗干扰效果。 振动液柱校准控制仪的整体设计框图及原理图如图4所示。 图4 振动液柱校准控制仪整体设计框图 由图4设计框图可知，以单片机89C52为核心的控制单元，通过一片16位的A/D转换完成CHA(水听器)及CHB(加速度计)两路放大器的信号采集，根据采集到的信号判断程控放大的放大倍数及高低通滤波器的滤波截至频率上下限，同时利用电子多路开关实现多串口通讯分时全双工，完成彩色液晶显示和主机通信的操作，根据与主机的数据通信，给主机提供发激励信号的参考指令，完成振动台上的各项设置。 采用8104标准水听器作为稳定的被测件，分B类评定方法和A类评定方法，然后合成本装置的标准不确定度，从图1低频水声计量校准方案和装置工作原理可知，系统测试复杂，测量过程引入测量结果不确定度分量较多。 1)加速度计电荷灵敏度引入的不确定度分量uB1，正态分布； 2)数据采集器测量引入的不确定度分量uB2，正态分布； 3)液柱深度和被校件入水深度测量误差引入不确定度分量uB3，正态分布； 4)前置放大器输入阻抗不足引入不确定度分量为uB4，均匀分布； 5)由于振动液柱法校准方法，声场不均匀引入不确定度分量为uB5，均匀分布； 6)液柱中声速误差引入不确定度分量为uB6，均匀分布； 7)用手册中给出的标准值，对于除气水在常温下取1000kg/m3，液体密度误差不大于±0.5％，引入不确定度分量uB7，均匀分布； 8)合成函数发生器频率误差引入不确定度分量为uB8，均匀分布； 9)振动液柱校准测试仪最大相对误差引入不确定度分量为uB9，正态分布； 10)忽略重力落差引起的不确定度分量uB10； 11)由波动修正因子误差引入的不确定度分量uB11； 12)由振动台加速度波形失真引入的不确定度分量uB12，正态分布； 由式(1)～(4)可得： 引入以上数据计算得到本装置B类评定标准不确定度为：uB=0.27dB A类评定不确定度采用多次测量的实验室标准偏差表征，对保留被测件8104水听器测量6组数据，测试频率20Hz～2kHz,按1/3倍频程选取测试频率点，根据贝塞尔法，用下式计算实验室标准偏差： 通过对6组数据计算，A类评定标准不确定度为：uA=0.06dB 本文在对振动液柱法的声压灵敏度算法简化基础上，进行低频水声计量校准方案设计。使用证明，本装置设计的标准振动台在提高推力指标的同时，兼顾了横向振动比和台面均匀性的要求，标准振动台隔振措施采用弹簧隔振，整个系统组成一个弹簧悬挂系统，悬挂系统的固有频率只与质量块的质量和弹簧的刚度有关。振动液柱管选用钛钢，为了能满足不同尺寸水听器的校准需要，又能满足不同校准频率的需要，将校准容器设计多种尺寸，根据不同任务选用不同的尺寸，振动液柱校准控制仪集成了数据采集、仪器控制与数据分析的功能，成功解决了水声专用装备的低频水声声压灵敏度参数量值传递的关键问题，技术指标满足校准低频水听器要求，方案中使用的前置放大无噪声偏置技术以及具有放大电荷和微伏级电压放大能力的电荷放大器的运用，都对水声测控领域具有一定的借鉴意义。 [1]刘晋昌，陈新宁，等.振动液柱校准测试仪.中国专利，ZL201010048022.7[P].2013-07 [2]郑士杰，袁文俊.水声计量测试技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,1995 [3]章蔚青.有源低通滤波器的优化设计[J].计量技术，2003(9)：10-11 [4]韩启纲.智能化仪表原理与使用维修[M].北京：中国计量出版社，2002 [5]沈红卫.单片机应用系统设计实例与分析[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003 [6]李强.基于RS232接口客车用集中轴温报警器自动检测系统的设计[J].计量技术，2007(12)：54-55
3 标准振动台设计
3.1 台面连动圈
3.2 空气弹簧
4 振动液柱校准控制仪的组成及工作原理
4.1 振动液柱校准控制仪的组成
4.2 振动液柱校准控制仪的工作原理
5 不确定度分析
5.1 B类评定
5.2 A类评定
5.3 不确定度合成
6 结论
