大型潜标矢量水听器低频声学指向性的水池测试方法

摘要

本发明提供的是一种大型潜标矢量水听器低频声学指向性的水池测试方法。（1）将潜标系统布放于水池中心，将低频/甚低频声源布放于使潜标系统中的矢量水听器处于声源近场、且矢量水听器中心和声源处于同一布放深度，即矢量水听器位置声场呈球面波扩展变化规律；（2）依据大型潜标系统的尺寸，以及球面波测试结果与平面波测试结果的可等效性条件，确定潜标系统的旋转角度范围；（3）以低转速旋转整个潜标系统，实时记录矢量水听器声压通道、发射频率为f0时的信号，经后置处理得到潜标矢量水听器低频/甚低频声学指向性。本发明可以在水池这样易于控制操作的条件下，以较高精度实现复杂矢量水听器系统声学指向性的测试，从而满足进一步的研究需要。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种水声测试方法，主要涉及在水池条件下对工作于大型潜标的矢量水 听器系统声学指向性进行测试的方法。

背景技术

现有矢量水听器声学指向性的测试多是对矢量水听器自身偶极子型指向性满足要求与否 的测试，测试地点依据矢量水听器工作频率、精度及目的不同而选择在水池、驻波管和外场。 而对于工作于复杂系统（如大型潜标、浮标等）的矢量水听器声学指向性的测试则稀有公开 介绍。本发明则公开了一种在水池条件下对工作于大型潜标的矢量水听器整体系统低频及甚 低频声学指向性进行测试的方法。

矢量水听器系统声学指向性反映了该系统整体对同一入射平面波的空间响应情况，测量 时需要系统在平面波入射场中旋转一周来得到。在低频段尤其是甚低频段，很难在有限的水 池中获得平面波自由场，并隔绝池壁反射信号对指向性测试的干扰，使得矢量水听器系统使 用平面波自由场方法进行低频及甚低频声学指向性测试是非常困难的；驻波管则仅适用于压 电式和双声压式的矢量水听器声学指向性的测试，同样不能满足大型潜标系统测试的需要； 外场测试虽然可以满足测试对平面波自由场的要求，但是测试过程不易控制，测试费用代价 过高，且后置数据处理补偿要求过高，亦不能满足实际科研工程应用过程中对大型潜标矢量 水听器声学指向性的要求。

文献“20~2000Hz矢量水听器指向性图的实验水池测量”（声学技术，2009.28(2)：131-132） 给出了水池中对矢量水听器自身偶极子型指向性测试的试验结果。

文献“声压、振速联合信息处理”（哈尔滨工程大学博士论文，2000）给出了湖试对矢量 水听器声压和矢量通道自身偶极子声学指向性的测试方法：发射单频CW脉冲，测量时在360° 范围内每2°测量一次。从测试结果来看，矢量通道零点深度不足20dB。

上述两份文献的共同特点是仅对矢量水听器自身偶极子型指向性满足要求与否进行测 试，其测试方法并不易于复杂矢量水听器系统声学指向性的测试。而在矢量水听器的实际应 用中，不可或缺的需要配置导流罩、障板等辅助声学设施来实现兴趣目标信息数据的录制获 取，这时矢量水听器及其配置设施整体构成了一个系统。如若辅助设施设计不当、安装不适， 就有可能影响系统矢量水听器自身的偶极子指向性。因此，对整体矢量水听器系统而非单独 矢量水听器的声学性能进行测试显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制操作容易，测试精度高的大型潜标矢量水听器低频声学 指向性的水池测试方法。

本发明的目的是这样实现的：

（1）将潜标系统布放于水池中心，将低频/甚低频声源布放于使潜标系统中的矢量水听 器处于声源近场、且矢量水听器中心和声源处于同一布放深度，即矢量水听器位置声场呈球 面波扩展变化规律；

（2）依据大型潜标系统的尺寸，以及球面波测试结果与平面波测试结果的可等效性条件， 确定潜标系统的旋转角度范围；

（3）以低转速旋转整个潜标系统，实时记录矢量水听器声压通道、发射频率为f0时的 信号，经后置处理得到潜标矢量水听器低频/甚低频声学指向性。

本发明还可以包括：

1、潜标系统旋转是以矢量水听器中心为中心旋转。

2、所述低转速旋转的转速选择1deg/s。

3、所述后置处理的方法包括：旋转角度为θ时的声压p(t)与振速信号v_x(t)和v_y(t)经快 速傅里叶变换FFT处理或zoomFFT处理后得到相应幅度估计：

A_p(f)＝FFT[p(t)]

$A_{v_x}\left(f\right)=\mathrm{FFT}\left[v_x\left(t\right)\right]$

继续旋转潜标系统得到[θ₁,θ₂]角度范围内的矢量水听器相应的接收信号幅度A_p(f,θ)， $A_{v_x}(f,\theta )$和$A_{v_y}(f,\theta );$

极坐标的形式显示A_p(f,θ)，和即实现潜标系统矢量水听器指向性的测 试。

为了弥补背景技术中的不足，本发明提出了一种在水池条件下，依据水池中声源近距离 声场呈球面波扩展变化规律及球面波测试结果与平面波测试结果的可等效性条件考虑，对大 型潜标矢量水听器低频及甚低频声学指向性进行测试方法。保证测试时矢量水听器处于声源 近场，其位置处声场呈球面波扩展变化规律。通过合理选择潜标旋转角度范围，保证球面波 测试结果可等效为平面波测试结果。

本发明的优点在于可以在水池这样易于控制操作的条件下，以较高精度实现复杂矢量水 听器系统声学指向性的测试，从而满足进一步的研究需要。

附图说明

图1是大型潜标矢量水听器低频声学指向性水池测试配置示意图。

图2是大型潜标矢量水听器低频声学指向性水池测试旋转角度示意图。

图3是平面波入射时声学指向性测试示意图。

图4是球面波入射时声学指向性测试示意图。

图5是平面波入射条件下散射波与入射波的幅度关系。

图6是平面波入射条件下指向性测试结果。

图7是球面波入射条件下散射波与入射波的幅度关系。

图8是球面波入射条件下指向性测试结果。

图9是矢量水听器接收信号的后置处理方法。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述。

本发明中，图1给出了大型潜标矢量水听器低频声学指向性水池测试配置示意图。布放 配置时要求矢量水听器3处于声源近场，且保证了矢量水听器中心和声源4处于同一布放深 度；图2给出了大型潜标矢量水听器低频声学指向性水池测试旋转角度示意图，这样保证了 矢量水听器位置声场呈球面波扩展变化规律，以方便球面波测试结果等效为平面波测试结果。

第一步，潜标系统2布放于水池中1心(L/2,H/2)低频/甚低频声源4布放深度为H/2， 两者相距r₀（具体见图1）；且矢量水听器3处于声源近场，矢量水听器位置声场呈球面波扩 展变化规律。

第二步，依据潜标系统指向性理论研究结果，选择潜标旋转角度范围[θ₁,θ₂]（具体见图 2），以方便将球面波测试结果等效为平面波测试结果。

这里以一简单形式的潜标（绝对硬圆球和矢量水听器组合而成）来说明等效理论：

如图3所示，图3中11表示矢量水听器主轴初始位置。该图给出了平面波入射指向性测 试时示意图。这时入射波满足：

p_in＝e^-jkrcosθ    (1)

$v_{\mathrm{rin}}=\frac{\cos \theta }{\mathrm{\rho c}}{e}^{-\mathrm{jkr}\cos \theta }---\left(2\right)$

$v_{\mathrm{\theta in}}=-\frac{\sin \theta }{\mathrm{\rho c}}{e}^{-\mathrm{jkr}\cos \theta }---\left(3\right)$

散射波满足：

$p_s=-\underset{m=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}{(-j)}^m(2m+1)\frac{{\mathrm{mj}}_{m-1}\left(\mathrm{ka}\right)-(m+1)j_{m+1}\left(\mathrm{ka}\right)}{{\mathrm{mh}}_{m-1}^{\left(2\right)}\left(\mathrm{ka}\right)-(m+1)h_{m+1}^{\left(2\right)}\left(\mathrm{ka}\right)}{h}_m^{\left(2\right)}\left(\mathrm{kr}\right)P_m\left(\cos \theta \right)---\left(4\right)$

$v_{\mathrm{rs}}=\frac{1}{\mathrm{j\rho }\omega }\underset{m=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}{(-j)}^m\frac{{\mathrm{mj}}_{m-1}\left(\mathrm{ka}\right)-(m+1)j_{m+1}\left(\mathrm{ka}\right)}{{\mathrm{mh}}_{m-1}^{\left(2\right)}\left(\mathrm{ka}\right)-(m+1)h_{m+1}^{\left(2\right)}\left(\mathrm{ka}\right)}[{\mathrm{mh}}_{m-1}^{\left(2\right)}\left(\mathrm{kr}\right)-(m+1)h_{m+1}^{\left(2\right)}\left(\mathrm{kr}\right)]P_m\left(\cos \theta \right)k---\left(5\right)$

$v_{\mathrm{\theta s}}=-\frac{1}{\mathrm{j\rho \omega r}}\underset{m=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}{(-j)}^m(2m+1)\frac{{\mathrm{mj}}_{m-1}\left(\mathrm{ka}\right)-(m+1)j_{m+1}\left(\mathrm{ka}\right)}{{\mathrm{mh}}_{m-1}^{\left(2\right)}\left(\mathrm{ka}\right)-(m+1)h_{m+1}^{\left(2\right)}\left(\mathrm{ka}\right)}{h}_m^{\left(2\right)}\left(\mathrm{kr}\right)\mathrm{sign}\left(\sin \theta \right)P_m^{\left(1\right)}\left(\cos \theta \right)---\left(6\right)$

式(4)~(6)

中，P_m为勒让德多项式，j_m为球贝塞尔函数，为第二类球汉克尔函数。由式(1)~(6)可以 得到平面波入射指向性测试时，潜标中矢量水听器接收到信号依次为：

p＝p_in+p_s          (7)

v_r＝v_rin+v_rs       (8)

v_θ＝v_θin+v_θs    (9)

如图4所示，该图给出了球面波入射指向性测试时示意图。这时入射波满足：

$p_{\mathrm{in}}=\frac{e^{\mathrm{kD}}}{D}---\left(10\right)$

式中，$D=\sqrt{r^2+r_0^2+2{\mathrm{rr}}_0\cos {\theta }_s},$${\theta }_s=\theta +a\sin \frac{r\sin \theta }{r_0}.$

$v_{\mathrm{rin}}=\frac{1}{\mathrm{j\rho \omega }}\frac{\mathrm{jkD}-1}{D}\frac{r+r_0\cos {\theta }_s}{D}\frac{e^{\mathrm{kD}}}{D}---\left(11\right)$

$v_{{\theta }_s\mathrm{in}}=\frac{1}{\mathrm{j\rho \omega }}\frac{\mathrm{jkD}-1}{D}\frac{r_0\cos {\theta }_s}{D}\frac{e^{\mathrm{kD}}}{D}---\left(12\right)$

散射波满足：

$p_s=\mathrm{jk}\underset{m=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}{(-1)}^{m+1}(2m+1)\frac{{\mathrm{mj}}_{m-1}\left(\mathrm{ka}\right)-(m+1)j_{m+1}\left(\mathrm{ka}\right)}{{\mathrm{mh}}_{m-1}^{\left(2\right)}\left(\mathrm{ka}\right)-(m+1)h_{m+1}^{\left(2\right)}\left(\mathrm{ka}\right)}{h}_m^{\left(1\right)}\left(k{r}_0\right)h_m^{\left(1\right)}\left(\mathrm{kr}\right)P_m\left(\cos {\theta }_s\right)---\left(13\right)$

$v_{\mathrm{rs}}=\frac{k}{\rho \omega }\underset{m=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}{(-1)}^{m+1}\frac{{\mathrm{mj}}_{m-1}\left(\mathrm{ka}\right)-(m+1)j_{m+1}\left(\mathrm{ka}\right)}{{\mathrm{mh}}_{m-1}^{\left(2\right)}\left(\mathrm{ka}\right)-(m+1)h_{m+1}^{\left(2\right)}\left(\mathrm{ka}\right)}{h}_m^{\left(1\right)}\left({\mathrm{kr}}_0\right)[{\mathrm{mh}}_{m-1}^{\left(1\right)}\left(\mathrm{kr}\right)-(m+1)h_{m+1}^{\left(2\right)}\left(\mathrm{kr}\right)]P_m\left(\cos {\theta }_s\right)k---\left(14\right)$

$v_{{\theta }_{s}s}=\frac{k}{\mathrm{\rho \omega r}}\underset{m=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}{(-1)}^{m+1}(2m+1)\frac{{\mathrm{mj}}_{m-1}\left(\mathrm{ka}\right)-(m+1)j_{m+1}\left(\mathrm{ka}\right)}{{\mathrm{mh}}_{m-1}^{\left(1\right)}\left(\mathrm{ka}\right)-(m+1)h_{m+1}^{\left(1\right)}\left(\mathrm{ka}\right)}{h}_m^{\left(1\right)}\left(k{r}_0\right)h_m^{\left(1\right)}\left(\mathrm{kr}\right)\mathrm{sign}\left(\sin {\theta }_s\right)P_m^{\left(1\right)}\left(\cos {\theta }_s\right)---\left(15\right)$

由式(10)~(15)可以得到平面波入射指向性测试时，潜标中矢量水听器接收到信号依次为：

p＝p_in+p_s       (16)

v_r＝v_rin+v_rs    (17)

$v_{{\theta }_s}=v_{{\theta }_s\mathrm{in}}+v_{{\theta }_{s}s}---\left(18\right)$

从式(7)~式(9)，及式(16)~式(18)可知，潜标系统矢量水听器接收到的声压和振速信息中 入射波与散射波是有一定权重比例关系的。如果球面波入射时相应入射波与散射波的比例关 系和平面波入射时相应入射波与散射波的比例关系相当，且满足入射波分量远大于散射波分 量，则利用球面波作为入射波依然可以对复杂矢量水听器系统进行声学指向性测试。

如图5-图8所示，四图依次给出了平面波与球面波入射条件下球形绝对硬障板对矢量水 听器声学指向性影响分析结果，其中图5和图7对应平面波与球面波入射条件下散射波与入 射波的幅度关系，图6和图8对应平面波与球面波入射条件下矢量水听器指向性测试结果。 从图中可以看出，在一定角度范围内球面波测试结果可等效为平面波测试结果。

第三步，低频/甚低频声源发射频率为f₀的测试信号。

第四步，根据潜标旋转角度范围，旋转整个潜标系统至角度θ，实时记录矢量水听器声 压通道、各矢量通道的发射频率为f₀时的信号，经后置处理即可得到潜标矢量水听器低频/ 甚低频声学指向性。

图9给出了指向性近场水池测试时矢量水听器接收信号的后置处理方法，即旋转角度为θ 时的声压p(t)与振速信号v_x(t)和v_y(t)经快速傅里叶变换FFT处理（或zoomFFT处理）后得 到相应幅度估计：

A_p(f)＝FFT[p(t)]    (19)

$A_{v_x}\left(f\right)=\mathrm{FFT}\left[v_x\left(t\right)\right]---\left(20\right)$

继续旋转潜标系统得到[_θ1,θ₂]角度范围内的矢量水听器相应的接收信号幅度A_p(f,θ)， $A_{v_x}(f,\theta )$和$A_{v_y}(f,\theta ).$

极坐标的形式显示A_p(f,θ)，和即可实现潜标系统矢量水听器指向性的 测试。