一种二元换能器频带交叠处噪声信号功率谱强度控制方法

摘要

本发明涉及一种二元换能器频带交叠处噪声信号功率谱强度控制方法。该方法通过在频域对不同频率噪声信号的增益进行控制和在时域对噪声信号进行循环移位的方法实现对两个换能器工作频带交叠处噪声信号相位和增益的联合控制，可使二元换能器频带交叠处的噪声信号功率谱起伏特性满足要求。

说明书

技术领域

本发明涉及水声工程技术领域，尤其涉及一种二元换能器频带交叠处噪 声信号功率谱强度控制方法。

背景技术

在水声探测、通讯、对抗和水下安防等水声工程技术领域，需要声源 级大、功率谱平坦的限带白噪声信号作为主动探测信号，水下声信号主要 由水下声源产生。水下声源由信号源、发射机和换能器三部分组成，信号 源产生的小幅度电压信号经过发射机的功率放大和宽大匹配后，被换能器 转换成声信号并辐射到水介质中去。受材料电声性能的限制，制作阻抗特 性好、发射响应高、声源级大的单个宽带换能器非常困难，通常采用由工 作在不同频带的多个换能器组阵的方法来实现宽带水下声基阵，并配备多 台大功率发射机及多通道信号源来共同组成一套水下宽带声源。

在水下宽带声源的应用中，由于换能器响应特性、阻抗特性和指向性 的不一致，发射机驱动能力、频率响应特性的不一致，多通道信号源产生 的宽带白噪声信号在水下被变换为一个噪声功率谱起伏很大的限带白噪声 信号，虽然可以通过均衡的手段对单个换能器谐振频率附近的功率谱强度 进行修正，但是在两个换能器工作频带的交叠处，噪声的功率谱强度不易 控制，通常表现为功率谱的剧烈起伏。本发明针对这个问题给出相应的技 术解决方案。

发明内容

本发明的目的旨在解决工作频带内噪声功率谱起伏较大的问题，特别 是两个换能器工作频带交叠处噪声信号功率谱起伏较大的难题，从而提供 一种二元换能器频带交叠处噪声信号功率谱强度控制方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种二元换能器频带交叠处噪声信号功 率谱强度控制方法。该方法包括：

确定可编程多通道信号源初始数据,所述初始数据是使各个换能器基元 谐振频率附近的噪声功率谱起伏特性满足要求的数据；

根据可编程多通道信号源初始数据，对一组相邻的两个换能器基元频带 交叠处的噪声信号进行功率谱分析；

根据谱分析结果进行移位参数计算，以对所述一组相邻的两个换能器基 元中的一个换能器基元对应通道信号源的噪声数据进行相应点数的循环移 位，直至所述一组相邻的两个换能器基元频带交叠处噪声功率谱矢量叠加效 果为同相叠加；

然后调整所述一组相邻的两个换能器基元频带交叠处的增益，直至根据 调整后的增益所确定的新的可编程多通道信号源数据使所述一组相邻的两个 换能器基元频带交叠处的噪声信号功率起伏特性满足要求。

优选地，所述确定的新的可编程多通道信号源数据，还作为下一组相邻 的两个换能器基元的基本噪声信号数据。

本发明通过在频域对不同频率噪声信号的增益进行控制和在时域对 噪声信号进行循环移位的方法实现对两个换能器工作频带交叠处噪声信号 相位和增益的联合控制，可使二元换能器频带交叠处的噪声信号功率谱起 伏特性满足要求。通过本发明在水下产生的限带白噪声信号，在整个工作 频带内的功率谱起伏小于等于±2dB。

附图说明

图1是本发明一实施例的换能器基元交叠频带噪声功率谱控制方法流 程图；

图2是图1中的确定可编程多通道信号源初始数据的方法流程图；

图3是本发明另一实施例的换能器基元交叠频带噪声功率谱控制方法 流程图；

图4是换能器基元频响特性测试设备连接关系图；

图5是换能器基元指向性测试设备连接关系图；

图6是换能器基阵声性能测试设备连接关系图；

图7为未经过本发明处理的谱级测试数据图；

图8为经过本发明处理的谱级测试数据图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明实施例中的技术方案，并使 本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过附图和 实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施 例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明一实施例的换能器基元交叠频带噪声功率谱控制方法流 程图。

在步骤101，确定可编程多通道信号源初始数据,所述初始数据是使各 个换能器基元谐振频率附近的噪声功率谱起伏特性满足要求的数据，可编程 多通道信号源初始数据的确定可参见图2。

在步骤102，根据步骤101中的可编程多通道信号源初始数据，对一组 相邻的两个换能器基元频带交叠处的噪声信号进行功率谱分析。

在步骤103，根据步骤102的谱分析结果进行移位参数计算，以对所述一 组相邻的两个换能器基元中的一个换能器基元对应通道信号源的噪声数据进 行相应点数的循环移位，直至所述一组相邻的两个换能器基元频带交叠处噪 声功率谱矢量叠加效果为同相叠加。

在步骤104，完成步骤103的操作后，再调整所述一组相邻的两个换能 器基元频带交叠处的增益，直至根据调整后的增益所确定的新的可编程多通 道信号源数据使所述一组相邻的两个换能器基元频带交叠处的噪声信号功率 起伏特性满足要求。

图2是图1中的确定多通道信号源初始数据的方法流程图。

如图2所示，本发明实施例的确定多通道信号源初始数据包括如下步骤：

在步骤201中，利用标准水听器、示波器测量换能器基元的频率响应 特性，设备连接关系如图4所示。标准信号源产生不同频率的脉冲信号激 励发射机，发射机驱动换能器基元在水下产生大源级脉冲声信号。标准水 听器将接收到的电压信号送给示波器并测量接收信号的幅度。根据标准水 听器的灵敏度、发射换能器与接收标准水听器之间的水平距离、接收信号 的电压幅度计算脉冲声信号的声源级。整合声源级数据与激励电压信号的 数据得到单个换能器基元的频率响应曲线，重复操作获取各个换能器基元 的频率响应曲线。

在步骤202中，测量换能器基元的指向性。设备连接关系如图5所示 意。将被测换能器装夹在旋转轴上,并使其等效声中心位于旋转轴上。由换 能器指向性标准测量系统控制机械旋转装置旋转换能器，每旋转一个角度 后，换能器指向性标准测量系统内的发射机驱动换能器产生某个频率的脉 冲声信号，标准水听器实时采集该角度的脉冲声信号，并送入换能器指向 性标准测量系统做数据处理，重复此操作直到换能器旋转360°，得到换 能器在某个频率点的指向性曲线图。改变频率重复此操作获取单个换能器 基元在其工作频带内不同频点上的指向性曲线。重复此操作对换能器基阵 上的所有基元的指向性进行测试。

在步骤203中，在MATLAB中，根据换能器响应曲线中不同频点对应 的响应值和指向性曲线中不同角度对应的响应值，计算得到各个换能器基 元工作频带的增益，并以该增益和其对应的频点作为fir2函数的频域参数， 最终得到FIR滤波器在时域的冲击响应h1(n)。

在步骤204中，在MATLAB中，利用RANDN函数得到宽带白噪声信号， 并根据水下声源的上下限工作频率和采样频率对宽带白噪声信号进行低通 滤波得到限带白噪声信号noise；利用FILTER函数对限带白噪声信号进行 滤波(noise和h1(n)在时域做卷积)，得到每组发射机对应的均衡后的噪 声信号数据，该数据作为第一可编程多通道信号源数据。

在步骤205中，将步骤204的第一可编程多通道信号源数据作为图6 的多通道信号源，激励发射机1，发射机2、发射机3，由发射机1，发射 机2、发射机3驱动对应的换能器1、换能器2、换能器3在水下产生宽带 白噪声信号。在水平方向上调整标准水听器的位置，以使其正对换能器1 声中心，标准水听器将接收到的噪声电压信号送给谱分析仪做功率谱分析， 由于步骤203中的增益是在理想情况下计算出的，所以谱分析仪上显示的 换能器1的噪声功率谱可能不是很平坦，所以需要不断微调滤波器的参数 (调整换能器1在工作频带内的频点所对应的增益)，直至根据调整后的 增益重新代入fir2函数求取的h2(n)以确定的第二可编程多通道信号源数 据，使换能器1谐振频率附近的噪声功率谱的起伏特性满足应用要求。需 要说明的是，由于调整增益的次数不定，所以此处的h2(n)和第二可编程 多通道信号源数据仅是代表最后一次调整换能器1的增益所对应的数据， 最后一次调整的增益是使换能器1谐振频率附近的噪声功率谱的起伏特性 满足应用要求的增益。

在步骤206中，步骤205中的第二可编程多通道信号源数据同时激励 发射机1，发射机2、发射机3，由发射机1，发射机2、发射机3驱动对 应的换能器1、换能器2、换能器3在水下产生宽带白噪声信号。由于换能 器1谐振频率附近的噪声功率谱的起伏特性已满足应用要求。所以在水平 方向上调整标准水听器的位置，使其正对换能器2声中心。由于步骤203 中的增益是在理想情况下计算出的，所以谱分析仪上显示的换能器2的噪 声功率谱可能不是很平坦，所以需要不断微调滤波器的参数(调整换能器 2在工作频带内的频点所对应的增益)，直至根据调整后的增益重新代入 fir2函数求取的h3(n)以确定的第三可编程多通道信号源数据，能使换能 器2谐振频率附近的噪声功率谱的起伏特性满足应用要求。需要说明的是， 由于调整增益的次数不定，所以此处的h3(n)和第三可编程多通道信号源 数据仅是代表最后一次调整换能器2的增益所对应的数据，最后一次调整 的增益是使换能器2谐振频率附近的噪声功率谱的起伏特性满足应用要求 的增益。

在步骤207中，步骤206中的第三可编程多通道信号源数据同时激励 发射机1，发射机2、发射机3，由发射机1，发射机2、发射机3驱动对 应的换能器1、换能器2、换能器3在水下产生宽带白噪声信号。由于换能 器1和换能器2谐振频率附近的噪声功率谱的起伏特性均已满足应用要求。 所以在水平方向上调整标准水听器的位置，使其正对换能器3声中心。由 于步骤203中的增益是在理想情况下计算出的，所以谱分析仪上显示的换 能器3的噪声功率谱可能不是很平坦，所以需要不断微调滤波器的参数(调 整换能器3在工作频带内的频点所对应的增益)，直至根据调整后的增益 重新代入fir2函数求取的h4(n)以确定的第四可编程多通道信号源数据， 能使换能器3谐振频率附近的噪声功率谱的起伏特性满足应用要求。需要 说明的是，由于调整增益的次数不定，所以此处的h4(n)和第四可编程多 通道信号源数据仅是代表最后一次调整换能器3的增益所对应的数据，最 后一次调整的增益是使换能器3谐振频率附近的噪声功率谱的起伏特性满 足应用要求的增益。

所以上述第四可编程多通道信号源数据便是可编程多通道信号源初 始数据，是使各个换能器基元谐振频率附近的噪声功率谱起伏特性满足要求 的数据。

图3是本发明另一实施例的换能器基元交叠频带噪声功率谱控制方法 流程图。

虽然图2中通过均衡的方法使得单个换能器基元谐振频率附近噪声 功率谱强度进行了修正，但是对两个换能器工作频带交叠处的增益未做调 整，所以两个换能器工作频带交叠处的噪声信号功率谱特性有可能表现为 剧烈起伏，而不满足应用的要求。

在步骤301中，将图2中的第四可编程多通道信号源数据作为图6的 可编程多通道信号源，激励发射机1，发射机2、发射机3，由发射机1， 发射机2、发射机3驱动对应的换能器1、换能器2、换能器3在水下产生 宽带白噪声信号。在垂直方向上调整标准水听器布放的位置使其与相邻的 换能器1和换能器2的声中心等距，谱分析仪对标准水听器接收到的噪声 电压信号作功率谱分析，谱分析的频段为换能器1和换能器2的交叠频段。

在步骤302中，根据换能器1和换能器2的交叠频段处噪声功率谱矢 量叠加的效果、交叠频带的中心频率和噪声生成数据的采样率计算移位参 数，并对换能器1或换能器2对应通道的噪声数据做相应点数的循环移位， 对移位后的交叠频段处的噪声信号再做功率谱分析，直到谱分析图上显示 换能器1和换能器2交叠频段处噪声功率谱矢量叠加的效果为同相叠加。

在步骤303中，由于步骤302中仅对换能器1和换能器2交叠频段处 噪声相位进行控制，移位可以使噪声信号在两个换能器工作频带交叠处的 矢量叠加效果调整为相加或相减，但是不能调整相加或相减的强度也就是 交叠频带处谱形的上凸或下凹的程度，所以需要不断微调滤波器的参数(调 整换换能器1和换能器2交叠频段处频点对应的增益)，直至根据调整后 的增益重新代入fir2函数求取的h5(n)以确定的第五可编程多通道信号源 数据，能使换能器1和换能器2交叠频段处噪声功率谱的起伏特性满足应 用要求。需要说明的是，由于调整增益的次数不定，所以此处的h5(n)和 第五可编程多通道信号源数据仅是代表最后一次调整换能器1和换能器2 交叠频段处增益所对应的数据，最后一次调整的增益是使换能器1和换能 器2交叠频段处噪声的功率谱的起伏特性满足应用要求的增益。

在步骤304中，第五可编程多通道信号源数据同时激励发射机1，发 射机2、发射机3，由发射机1，发射机2、发射机3驱动对应的换能器1、 换能器2、换能器3在水下产生宽带白噪声信号。在垂直方向上调整标准 水听器布放的位置使其与相邻的换能器2和换能器3的声中心等距，对标 准水听器接收到的噪声电压信号作功率谱分析，谱分析的频段为换能器2 和换能器3的交叠频段。

在步骤305中，根据换能器2和换能器3的交叠频段处噪声功率谱矢 量叠加的效果、交叠频带的中心频率和噪声生成数据的采样率计算移位参 数，并对换能器2或换能器3对应通道的噪声数据做相应点数的移位，对 循环移位后的交叠频段处的噪声信号再做功率谱分析，直到谱分析图上显 示换能器2和换能器3交叠频段处噪声功率谱矢量叠加的效果为同相叠加。

在步骤306中，由于步骤305中仅对换能器2和换能器3交叠频段处 噪声相位进行控制，移位可以使噪声信号在两个换能器工作频带交叠处的 矢量叠加效果调整为相加或相减，但是不能调整相加或相减的强度也就是 交叠频带处谱形的上凸或下凹的程度，所以需要不断微调滤波器的参数(调 整换换能器2和换能器3交叠频段处频点对应的增益)，直至根据调整后 的增益重新代入fir2函数求取的h6(n)以确定的第六可编程多通道信号源 数据，能使换能器2和换能器3交叠频段处噪声功率谱的起伏特性满足应 用要求。需要说明的是，由于调整增益的次数不定，所以此处的h6(n)和 第六可编程多通道信号源数据仅是代表最后一次调整换能器2和换能器3 交叠频段处增益所对应的数据，最后一次调整的增益是使换能器2和换能 器3交叠频段处噪声的功率谱的起伏特性满足应用要求的增益。

同理，若换能器基阵上还包括其它多个换能器，则可将上述第六可编 程多通道信号源数据作为下一组相邻两个换能器基元的基本噪声信号，进 而重复上述操作方法，使下一组换能器交叠频段处噪声的功率谱的起伏特 性满足应用要求。

应用本发明的二元换能器频带交叠处噪声信号功率谱强度控制方法前 后的实测效果对比如图7和图8所示。在图7中，没有使用本发明控制方 法的平均谱级和最低点的谱级相差大约11dB；在图8中应用本发明控制 方法后平均谱级和最低点的谱级相差大约2dB。

本发明通过在频域对不同频率噪声信号的增益进行控制和在时域对 噪声信号进行循环移位的方法实现对两个换能器工作频带交叠处噪声信号 相位和增益的联合控制，可使二元换能器频带交叠处的噪声信号功率谱起 伏特性满足要求。且通过本发明在水下产生的限带白噪声信号，在整个工 作频带内的功率谱起伏小于等于±2dB。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而 已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做 的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。