便携式水声传感器测试系统的设计与实现

安 寅，黄涛威，陈棣湘

（国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南 长沙 410003）

0 引 言

与光波和无线电波相比，声波在水中的传播性能最好。水声传感器是声引信中重要的接收部件。由于长期受温度、湿度、电磁等因素的影响，水声传感器的灵敏度会产生一定变化，影响水声设备的整体性能。因此，对水声传感器进行灵敏度测试显得尤为关键。

目前，绝大部分水声计量站都是通过消声水池来实现水声传感器灵敏度测试。但消声水池[1]的造价及技术要求高，且存在占用面积大、不可移动等问题，不适用于水声传感器的外场测试。同时，国内外对于水声传感器测试的常用方法还有自由场互易测量法、振动液柱法、MARKI型管带测量法、扬声器激励测量法、压电补偿法等。其中，自由场互易测量法需要使用3个换能器，操作复杂，且易受客观因素的影响，对现场测试造成不便；振动液柱法和MARKI型管带测量法都需一个标准的振动台，体积大，且测量频率范围受限，在5～2500Hz之间；扬声器激励测量法操作复杂，噪声相对较大且空间声场易受外界环境影响；压电补偿法受腔体内最大尺寸不大于十分之一波长的限制，其测量频率范围受限[2-3]。由此，设计了一套携带方便、体积小、操作简单的水声传感器测试系统。

1 系统结构及工作原理

考虑到水声传感器的敏感元件主要是由压电材料制作的压电振子，本设计采用压电振动法来实现水声传感器的参数测试。压电振动法[4]是利用压电陶瓷的逆压电效应把外加的激励电压信号转换成辐射面的振动，通过压电陶瓷振动向水中辐射声波，水声传感器接收到声波，其内部压电振子将声波信号转换为电压信号，供检测电路采集。期间，信号实现电能-声能-电能3者之间的相互转换[5]。

水声传感器测试系统组成框图如图1所示，在测试过程中，将水声传感器放置在水声测试装置中，用计算机控制D/A转换器输出程控电压信号，经功率放大后驱动压电圆管产生振动来模拟声压源，向水中辐射声波。压电圆管的振动幅度可通过电压控制。声波通过水媒介传播到水声传感器，传感器接收到声波，并转换为微弱的电压信号送入信号调理电路。信号调理电路主要包括低噪声高输入阻抗的前置放大器、测量放大器和滤波电路，用于完成对水声传感器和加速度计输出信号的调理。将水声传感器输出的微弱检测信号通过前置放大器和程控放大，并滤除频带外的噪声和干扰信号，再送入数据采集器和计算机进行处理和显示。

图1 水声传感器测试系统组成框图

2 水声传感器测试系统硬件组成

水声传感器测试系统由待测水声传感器、硬件电路、数据采集卡和工控机4部分构成。

2.1 水声传感器测试装置

水声传感器测试装置是基于压电振动法设计的，主要由水槽杯体（即容器）、压电陶瓷圆管[6]、灌入到容器与压电陶瓷圆管间的水介质、压电陶瓷圆管与水声传感器间的水介质（蒸馏水）组成，水声传感器测试装置如图2所示。测试时将待测水声传感器放置在压电圆管中央。

图2 水声传感器测试装置示意图

其中，水槽杯体采用钢材料制作，因其与吸声材料和透声材料相比，在同样的激励条件下，钢材料可以获得更大的声能量，同时钢材料的密度大，质量大，可以很好地保证测试装置的稳定性。另外，为防止因钢材料不纯而导致杯体生锈，需对水槽杯体进行镀铬处理。

为实现对压电圆管的准确定位安装，同时保证压电陶瓷圆管能够自由振动，在压电圆管上下端安装卡口定位圈。卡口定位圈采用聚四氟乙烯制作，具有良好的耐腐蚀特性，为便于安装导线，卡口周围开了4个半圆形小口。同时，为使内外两个腔体有效隔离，并保证整个测试装置具有良好气密性，在卡口定位圈凹槽处安装了橡胶圈。水声传感器测试装置的实物图如图3所示。

2.2 硬件电路

图3 水声传感器测试装置实物图

水声传感器测试系统硬件电路主要由水声传感器激励电路、信号调理电路、适配器硬件电路3部分组成。其中，水声传感器激励电路主要完成对压电陶瓷的驱动，通过施加激励电压使压电陶瓷片产生振动来模拟声压源。信号调理电路主要完成对信号的放大、滤波、隔离，从而提高对信号检测的准确性。适配器硬件电路主要包括模拟光耦隔离电路、数字IO光电隔离电路、稳压电路以及各种接口转接电路[7]。

2.3 数据采集卡和工控机

实现信号的采集和处理离不开数据采集卡和计算机。为满足在工业环境中可靠运行的需求，本设计采用具有抗电磁干扰、抗振、抗冲击等优势的工控机。数据采集卡采用泛华公司基于PCI总线的多功能数据采集卡PCI-3361，板卡提供16路模拟输入，内置16位ADC，单通道最高可达250kS/s采样速率；2路同步模拟输出，16位分辨率，输出更新速率单通道最高2MS/s；8路数字输入输出端口及16路多功能数字输入输出端口；2路计数器。这款数据采集卡的性能完全满足系统采集功能的需要。

实际测试时，将PCI-3361数据采集卡插入到计算机主板上的PCI扩展插槽内，用双屏蔽高性能线缆将PCI-3361数据采集卡和适配器接线端口相连接，并在计算机的控制下完成对信号的采集、存储等功能。

3 水声传感器测试系统软件设计

水声传感器测试模块主要对传感器的灵敏度进行测试，用户界面如图4所示。

水声传感器测试分两种测试模式，第1种为单点测试，由测试人员在操作面板上手动设置激励信号。其中激励信号的频率采用可供选择的下拉式菜单框，根据被测水声传感器的工作频率范围，其可供选择的值为 10，20，50，100，200，500，1000，2000，5000Hz。由于被测水声传感器的动态范围为105～165dB，因此声压的输入范围为105～165之间的整数，根据水声传感器测试装置的特性，对不同频率对应的声压输入范围进行设定；设置好激励信号后，按下相应“开始单点测试”按键，即可测得相应的声压、传感器的输出声压和声灵敏度信息。

第2种为连续测试，按下“开始连续测试”按钮，程序自动改变测试频率及激励声压信号幅度，测试并计算 10，20，50，100，200，500，1000，2000，5000Hz 处的声压传感器灵敏度，绘出水声传感器开路接收声压灵敏度频率响应曲线。

水声传感器测试系统软件设计主要分为水声信号的采集与IO控制、数据处理和生成报表3个部分。

3.1 数据采集及IO控制模块

水声传感器测试的整个数据采集过程涉及模拟输入（AD）、模拟输出（DA）、IO控制3个部分的协同运作。因此，需考虑三者间任务开始的先后顺序[8]。利用顺序结构实现这一时序控制。

首先，利用两路数字IO根据不同频率水声传感器信号的大小来控制电路程控放大的倍数，IO输出共有 4 种组合：00，01，10，11，分别对应程控放大倍数1，10，100，1000 倍。

然后，利用模拟输出（DA）模块产生一路正弦波激励信号，为方便后面的数据处理，模拟输出使用的采样率与模拟输入的一致，且模拟输出采样数的设置需考虑到产生的激励信号必须能够持续到采样结束，否则还未采集完激励就停止了，将采集不到数据。因此，本设计中模拟输出采样数设置为模拟输入采样数据量的1.2倍。

图4 水声传感器测试系统用户界面

最后利用一路模拟输入（AD）进行数据采集。为方便数据处理并提高测试精度，在数据采集过程中采用了整周期采样法，即针对不同频率的信号都固定采样100000个数据，并且通过调节采样频率，保证采样时间始终是信号周期的整数倍，这样可以有效抑制干扰和噪声的影响。

3.2 数据处理

3.2.1 数字锁相放大

数据采集卡采集到的传感器输出信号为湮没在噪声中的微弱信号，在对采集到的数据进行计算之前需要对其进行微弱信号检测，利用数字正交锁相放大的方法对其进行处理。

锁相放大器[9]（lock-in amplifier，LIA）是以相关检测技术为基础，对检测信号和参考信号进行互相关运算，利用参考信号频率与输入信号频率相关，与噪声频率不相关，从而从噪声中提取有用信号。正交锁相放大器由一路信号通道、两路参考通道和两个相关器（相敏检波器）组成。相敏检波器实际上是一个乘法器。输入信号和参考信号分别加在相敏检波器的两个输入端。

本设计中用正弦波作为锁相放大器的参考信号[10]。Vs（t）=x（t）+n（t）表示系统实际接收到的带有噪声的信号，其中 x（ t）=Asin（ ωt+φ）是需要检测的样品信号，n（t）则表示背景噪声。Vr（t）=Bsin（ωt）与V′r（t）=Bsin（ωt+π/2）分别是与x（t）同频的参考信号1和参考信号2，它们相位相差π/2。

经过数据采集卡后得到的信号是离散时间信号，其互相关函数值可以由下式表示，其中N表示采样点数：

利用噪声n（t）与参考信号Vr（t）、V′r（t）不相关，即可将其滤掉。

输入信号的幅值（最大值）Vx为

3.2.2 声压灵敏度计算方法

若声压x以Pa为单位，水声传感器的输出电压y以μV为单位，由于1μPa的声压对应0 dB，因此当用分贝表示声压时，计算公式为120+20lgx；由于声压灵敏度1V/μPa对应0dB，因此声传感器的声压灵敏度计算公式为

4 测试结果

分别在 10，20，50，100，200，500，1 000，2 000，5000Hz 9个频率点对某型水声传感器的声压灵敏度进行测试，表1为不同测试频率下的水声传感器声压灵敏度测试结果，表2为激励信号频率固定、幅度变化时水声传感器声压灵敏度测试结果。从表1可以看出：在10Hz～5kHz频率范围内，被测水声传感器的声压灵敏度随频率的升高有所下降，变化范围为-204.14~-181.12dB。

表1 不同测试频率下水声传感器灵敏度测试结果

表2 激励电压幅度变化时水声传感器灵敏度测试结果

从表2可以看出：当激励声压幅度变化时，水声传感器的灵敏度测试结果基本不变（误差＜0.2 dB），说明声压产生装置和被测声传感器均具有良好的线性。

5 结束语

本文设计了一套基于LabVIEW的便携式水声传感器灵敏度测试系统。考虑到待测水声传感器的换能器主要是压电陶瓷，为便于现场测试，采用压电振动法对水声传感器进行测试。利用LabVIEW软件控制输出程控电压信号驱动压电陶瓷片产生振动来模拟声压源，通过电压控制改变压电陶瓷片的振动幅度并对水声传感器的输出信号进行一系列处理，从而计算出被测水声传感器的声压灵敏度。测试结果表明：该水声传感器测试系统测试精度高，并且具有操作简单、便于携带的优点，适用于工业现场对水声传感器性能的测试。

[1]鲍国良，王同庆.消声水池的设计及其自由场测量实验[J].电声技术，2005（ 1）：18-21.

[2]Robbert R.J.Underwater electroacoustic measurement[M].Washington： U.S.Government Printing Office，1970：273-283.

[3]Kim C， Benjamin S P.The design，fabrication， and measured acoustic performance of a 1-3piezoelectriccomposite navy calibration standard transducer[J].Journal of the Acoustical Society of America，2001（ 109）：1973-1978.

[4]Trott W J.Underwater sound transducer calibration from near-field data[J].JASA，1964，36（ 8）：1557-1568.

[5]赵然.xPMnS-（1-x）PZN压电陶瓷在水声换能器中的应用[D].武汉：武汉理工大学，2006.

[6]周心一，黄建平，谢可夫.压电圆管换能器振动特性的薄壳理论分析[J].应用声学，2003，22（ 4）：11-15.

[7]杨博.基于虚拟仪器的水声换能器校准系统的研究与实现[D].南京：东南大学，2008.

[8]杨斌.基于虚拟仪器的换能器测试系统的设计与应用[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

[9]杨建新，武银兰.锁定放大器在检测微弱信号中的应用[J].物理通报，2012（ 9）：80-82.

[10]高晋占.微弱信号检测[M].北京：清华大学出版社，2004：201-205.