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宽频技术在水声记录单元校准中的应用

更新时间:2016-07-05

1 引言

随着海洋事业的发展,国家对海洋声学观测也越来越重视,每年都会投入不少的科研经费。海洋声学观测主要包括海洋环境噪声,海洋声传播,混响等。其中需要用到的重要设备就是水声记录单元。水声记录单元主要是指悬挂在浮标或潜标上对水下噪声或水下声信号进行记录和存储的独立单元。虽然水声记录单元的组成结构多种多样,但核心部分主要包括水听器和电子仓,电子仓内主要包括电子芯片(放大器控制器存储器等)和电池。本文介绍的水声记录单元其实物如图1所示。

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图1 水声记录单元实物

在每次海洋声学观测部署前,相关执行单位都会根据标准[1]要求对水声记录单元的水听器灵敏度、电子设备的频响等分部件进行严格校准,但在系统校准方面,由于缺乏相应的权威机构,往往无法对整个水声记录单元灵敏度(声压灵敏度)进行严格的较准。如果水听器采用的电路或水听器与电子设备的电路匹配有问题,即使分部件没有问题,也会影响整个记录单元的工作性能,从而影响所记录水声数据的质量。因此,对水声记录单元进行整体较准是非常重要的。目前,在水声测量技术方面主要沿用传统测量技术,使用单频声脉冲测量技术来测量换能器的各项参数和指标[2]。由于单频声脉冲须在宽频范围内进行逐点扫描,因此测量时间较长。 随着现代信号处理技术和数字化硬件系统的发展,国内海军装备电子部张宝华,中科院声学所吴本玉、莫喜平等针对水声测量中的宽频技术的应用开展研究工作,实现了水听器的宽频噪声比较法校准系统[3]。该系统和方法主要应用在水池测试和水听器的校准中。由于水池的尺度有限,对声源也有要求,因此该系统主要对2 kHz以上频段的水听器进行校准。本文主要是根据海洋声学观测的特点,提出利用水下爆炸声源,应用宽频技术,在海上对水声记录单元在100 Hz~2 kHz频段内进行系统较准。该方法能对水声记录单元系统灵敏度在宽频带内进行快速检查和校准。

2 校准方法和原理

从根本上来说,本文的校准方法是一种比较法。具体来说,是用水声记录单元及BK3560PULSE声与振动多分析系统同时对相同的水下爆炸声源信号进行声源级测量记录,再运用频率分析技术,分别提取100 Hz-2 kHz频段内三分之一倍频程各个频率点的数据,从而进行比对和计算,最后得到水声记录单元系统的校准灵敏度。详细原理分析如下。

首先我们选择的水下爆炸声源具有声源级高、频带宽的特点。经常用到的水下爆炸声源包括气枪声源、灯泡声源、电火花 (或等离子)声源、水声信号弹等。本文采用水声信号弹,简称声弹。声弹在水中爆炸后激发的声信号除了产生激波以外,还包括一系列的气泡脉冲。分别是冲击波、第1次气泡脉冲、第2次气泡脉冲、第 3 次气泡脉冲等[4-6],被水听器接收后,较为完整的结构如图2所示。

图2 声弹爆炸声信号结构示意图

若考虑水声记录单元水听器的灵敏度、放大器的放大倍数及传播损失,也考虑BK3560PULSE记录系统标准水听器的灵敏度、放大器的放大倍数及传播损失,则水声记录单元测量的中心频率声源级和BK3560PULSE标准记录系统记录的中心频率声源级分别为:

式中MV是水听器灵敏度,m是接收系统的放大倍数,R是接收水听器与爆炸声源的距离。再将水声记录单元测量的数据与标准记录系统记录的数据进行比对,可以得到水声记录单元系统与标准记录系统的频率响应差值。在不考虑水听器灵敏度,放大器以及传播损失误差后,可以求出水声记录单元系统三分之一倍频程中心频率灵敏度,即为校准的水声记录单元灵敏度。

(1)

其中 N 是离散信号序列的点数。再计算以 f0为中心频率的三分之一倍频程带宽内的能量 E(f0):

(2)

其中n1=fL/df+1,n2=fH/df+1,df=fs/N,fH=2+1/6f0,fL=2-1/6f0。对于一平坦谱(白谱),或者是对相对较窄带宽内的连续谱,频带级与频带中点的频谱级关系是:

式中B是以赫兹为单位的带宽。(3)式表示频带级可以由频带中点处的谱级加上相应的带宽级,因而,频带中心频率f处的声级有,

(3)

BSL=SL(f)+10logB

若未考虑灵敏度、放大倍数等,则爆炸声信号中心频率的声源级为:

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(4)

SL(f)=BSL-10logB

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(5)

如果依据海水的深度,选择好水听器的布放深度,使得接收信号含完整的爆炸声结构,就可以进行正确的声弹声源级测量。

(6)

接着对采集到的声弹爆炸声信号 fn作傅里叶变换,得到离散频谱序列 Fk:

3 水声记录单元灵敏度校准实验

3.1 校准系统组成

进行校准实验的系统组成部分分别为:水声记录单元,BK 3560PULSE声与振动多分析系统,标准水听器BK3560,1000克300米定深声弹5枚,手持GPS、温深仪TD。

下半场会议由王禹浪教授主持,蒙古国成吉思汗大学校长拉布噶苏荣教授、日本城西国际大学藤井一二教授、松荫大学山本明夫教授、黑河学院远东研究院院长谢春河教授分别做了学术发言,最后王禹浪教授做大会总结报告。

3.2 实验方案

海上实验布放如图3所示,在测量船后甲板布放3560pulse标准水声采集系统进行采集和记录,并用手持GPS记录位置和时间。标准水听器离海面深度为h1,并在上方布放一温深仪TD1,水声记录单元水听器离海面深度为h2,在其正下方布放一TD2,在小艇上间隔投放5枚定深声弹,并用手持GPS记录位置和时间。两水听器到定深声弹的水平距离均为R。

图3 海上校准实验布放

3.3 数据处理结果分析

再将该值和已知的灵敏度MV,放大倍数m,带入式(6),得到水下记录单元记录的声弹爆炸声信号三分之一倍频程中心频率的声源级。同理,可以求出BK 3560PULSE记录的声弹爆炸声信号三分之一倍频程中心频率的声源级。将得到的数据进行一一比对,可以计算出它们之间的差值。进一步计算得到5次校准的水下声记录单元100 Hz~2 kHz频段内三分之一倍频程中心频率的灵敏度值,如图5所示。

(7)

数据处理过程可分为读取文件、波形截取、计算(包括距离,传播损失,声源级,差值,灵敏度)等三个步骤[7]。本文中波形截取的时间选0.1s。水平距离R和垂直距离h2分别通过手持GPS和温深仪TD求得,h0为定深声弹的深度。直达波的距离R1通过声弹声源和水听器间的水平距离和垂直距离求得。即:

图5 5次测量得到的水声记录单元灵敏度

再将五次测量得到的灵敏度值进行求和平均,得到的水声记录单元灵敏度平均值如图6中的宽频测试曲线所示。另将同一水声记录单元在非消声水池中,用脉冲声技术对各个频点进行测量,共测量5次,求和取平均,得到脉冲声测量的水声记录单元灵敏度,示于图6中的脉冲声测试曲线。

图6 宽频测试法与脉冲法测试结果

从图6可以看出,运用宽频噪声比较法和脉冲比较法测出的灵敏度在 100 Hz~2 kHz 频率范围内最大误差不超过2.5 dB。该结果表明,在3 dB的误差范围内,运用宽频噪声比较法对水声记录单元灵敏度校准是可行的。

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在实验过程中,要注意的事项是,一是采样率要高,如192 ~320 kHz,以避免错过冲击脉冲的峰值而损失能量[7];二是要合理布置发射和接收位置,以及弹型,尽量使得直达声信号不受海底海面反射结构的干扰,使得接收信号有完整的结构[8];三是用多枚声弹以避免偶然因素的干扰;四是要录取完整波形,不能有限幅截断的现象。

③内径、流量、功率推算法。例如:C机井经测量机井内径为225 mm,经询问管理人员,该机井功率为37 kW,每小时出水量为38 m3,井深200 m左右。经推算,机座号确定为200(机座号应小于或等于机井内径);根据流量,可确定机井铭牌流量为40 m3,结合功率37 kW,则该机井型号为200 QJ 40—182/14。

5 结论

通过以上实验和测量结果分析,可以知道,宽频噪声比较法可以快速实现宽频段水声记录单元系统的灵敏度校准。虽然本文测试的频段是在100 Hz到2 kHz内,事实上,频段还可以继续拓宽,高频部分可以大于10 kHz,详细情况有待进一步研究。如果在图3实验设置中多吊放几个水声记录单元,则该方法还可以同时校准多个水声记录单元系统。另外,该校准实验如果能与声弹声源级标定实验同时进行,则不需要增加额外声源,可以节约声源,节省成本。

参考文献:

[1] 中国国家标准化管理委员会. GB/T 12763.5—2007 海洋调查规范第5部分:海洋声、光要素调查[S]. 中国标准出版社,2007.

[2] 郑士杰, 袁文俊, 缪荣兴等. 水声计量测试技术[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 1995.

[3] 张宝华,吴本玉,莫喜平.水声测量中的宽频技术应用方法[J].声学技术,2008,27(4):519:523

[4] URICK R J. 水声原理[M]. 洪申, 译. 哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社, 1990.

[5] 吕俊军,吴国清,杜波. 非高斯水声瞬态信号 Power-Law检测 [J]. 声学学报, 2004, 29(4): 359-362.

[6] RobertH.Cole. Underwater Explosions[M]. Prineeton,New Jersey:Prineeton University Press,1948:5-11.

[7] 刘清宇 马树青 杨华.爆炸声源声源级数据分析方法[J] 声学与电子工程,2014(4):1-4.

[8] 肖勇兵,陈鸿志,郑耀,等. 海洋水声调查中爆炸声声源级的测量分析[J].海洋技术,2009,28(2):58-61.

陈晟,牛富强,阮海林
《电声技术》 2018年第02期
《电声技术》2018年第02期文献

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