一种自动化声纳换能器测量系统设计与实现

席伟+姚直象+夏羽+罗彦龙

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遠场上的辐射声压。

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。

2.3 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，信号采集处理软件是根据产品接口、功能特性定制的水声测试专用信号处理软件。

（4）控制部分主要由计算机、接口和测试软件组成，通过测试软件进行水声产品电声性能的自动化测量并形成测试报告。

进行测试工作时，水声换能器电声参数测试系统由计算机控制水下转台或升降回转装置，将被测换能器放置在水下某一深度处和某一方向上，使标准水声器、辅助换能器、被测换能器的有效声中心处于同一直线上。

进行测量工作时，由计算机控制升降回转装置，使水声换能器处于某一运动状态，由信号源板产期的正弦脉冲信号，经功率放大器放大后，由换能器向水下发射脉冲产生一定频率、脉冲宽度的重复周声信号，由标准水听器接收声信号，经测量放大器和程控滤波器进行信号调理后，由多通道数字示波器采集声信号，再经测量程序进行数字信号处理后得到所需测量的技术参数。

4 系统软件

水声换能器电声参数测量系统软件是整个测试系统的中枢，负责测试指令的下达、执行和结果显示，指挥各个模块之间的协调有序工作。软件部分主要包含人机用户界面、硬件接口通信、数据处理和分析三大模块。水声换能器电声参数测量系统软件如图6所示。主要由用户界面、环境参数、仪器控制、升降回转控制、信号采集和处理、文件保存和打印等子程序组成。

人机交互界面即测试系统主界面，是为了便于测试人员输入测量项目、测试内容参数设定和测量结果显示等一系列工作。完成测试项目的选择、测试参数设定、测试结果观察，测试状态控制等工作的界面显示。

硬件接口通信相当于一个软硬件的桥梁，通过该模块实现硬件目标与协调之间通信，完成人机交互界面和目标硬件之间的数据信息和控制指令的传递。

数据分析处理对接收信号进行信号处理和分析，它把从目标仪器获得的各种信息做相应的处理，并可以根据需要来执行相应的功能，例如可以把处理之后的结果按照使用者的需要提供给界面进行显示，可以反馈数据信息给控制界面，也可以将测量得到的数据根据界面上的输入进行处理。

软件框架采用Visual Studio Basic开发工具设计开发，具有视窗软件的特点，用户界面友好，操作简单实用，利用该软件可以自动完成被测换能器灵敏度、发送响应、声源级等电声参数的测量，并通过外置打印机实现测量结果的打印输出，实现高效的自动化测量，并大大提高测量精度和准确度。

测试软件中还需要对回转装置进行控制，高精度升降回转装置的控制子程序：按照通讯协议控制控制器进行升降回转等动作。水声测量系统计算机通过无线数传的方式与升降回转控制器通讯。水声测量系统计算机与无线数传模块的通讯采用RS232方式，模块通讯接口管脚同微机串行接口，选用带交叉的通讯电缆即可。

5 结束语

本文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，在此基础上设计并开发高精度、高可靠性、自動化的水声换能器测量系统，利用5型换能器对声呐换能器水池测量系统进行了验证，分别对阻抗测量、灵敏度测量、发送响应、电声线性和指向性进行了测试。取得了比较好的效果。

参考文献

[1]阎福旺.水声换能器技术[M].北京：海洋出版社，1999.

[2]周福洪.水声换能器及基阵[M].北京：国防工业出版社，1984.

[3]李启虎.数字式声纳设计原理[M].合肥：安徽教育出版社，2002.