便攜式水聲傳感器測試系統的設計與實現

安 寅，黃濤威，陳棣湘

（國防科學技術大學機電工程與自動化學院，湖南 長沙 410003）

0 引 言

與光波和無線電波相比，聲波在水中的傳播性能最好。水聲傳感器是聲引信中重要的接收部件。由于長期受溫度、濕度、電磁等因素的影響，水聲傳感器的靈敏度會產生一定變化，影響水聲設備的整體性能。因此，對水聲傳感器進行靈敏度測試顯得尤為關鍵。

目前，絕大部分水聲計量站都是通過消聲水池來實現水聲傳感器靈敏度測試。但消聲水池[1]的造價及技術要求高，且存在占用面積大、不可移動等問題，不適用于水聲傳感器的外場測試。同時，國內外對于水聲傳感器測試的常用方法還有自由場互易測量法、振動液柱法、MARKI型管帶測量法、揚聲器激勵測量法、壓電補償法等。其中，自由場互易測量法需要使用3個換能器，操作復雜，且易受客觀因素的影響，對現場測試造成不便；振動液柱法和MARKI型管帶測量法都需一個標準的振動臺，體積大，且測量頻率范圍受限，在5～2500Hz之間；揚聲器激勵測量法操作復雜，噪聲相對較大且空間聲場易受外界環境影響；壓電補償法受腔體內最大尺寸不大于十分之一波長的限制，其測量頻率范圍受限[2-3]。由此，設計了一套攜帶方便、體積小、操作簡單的水聲傳感器測試系統。

1 系統結構及工作原理

考慮到水聲傳感器的敏感元件主要是由壓電材料制作的壓電振子，本設計采用壓電振動法來實現水聲傳感器的參數測試。壓電振動法[4]是利用壓電陶瓷的逆壓電效應把外加的激勵電壓信號轉換成輻射面的振動，通過壓電陶瓷振動向水中輻射聲波，水聲傳感器接收到聲波，其內部壓電振子將聲波信號轉換為電壓信號，供檢測電路采集。期間，信號實現電能-聲能-電能3者之間的相互轉換[5]。

水聲傳感器測試系統組成框圖如圖1所示，在測試過程中，將水聲傳感器放置在水聲測試裝置中，用計算機控制D/A轉換器輸出程控電壓信號，經功率放大后驅動壓電圓管產生振動來模擬聲壓源，向水中輻射聲波。壓電圓管的振動幅度可通過電壓控制。聲波通過水媒介傳播到水聲傳感器，傳感器接收到聲波，并轉換為微弱的電壓信號送入信號調理電路。信號調理電路主要包括低噪聲高輸入阻抗的前置放大器、測量放大器和濾波電路，用于完成對水聲傳感器和加速度計輸出信號的調理。將水聲傳感器輸出的微弱檢測信號通過前置放大器和程控放大，并濾除頻帶外的噪聲和干擾信號，再送入數據采集器和計算機進行處理和顯示。

圖1 水聲傳感器測試系統組成框圖

2 水聲傳感器測試系統硬件組成

水聲傳感器測試系統由待測水聲傳感器、硬件電路、數據采集卡和工控機4部分構成。

2.1 水聲傳感器測試裝置

水聲傳感器測試裝置是基于壓電振動法設計的，主要由水槽杯體（即容器）、壓電陶瓷圓管[6]、灌入到容器與壓電陶瓷圓管間的水介質、壓電陶瓷圓管與水聲傳感器間的水介質（蒸餾水）組成，水聲傳感器測試裝置如圖2所示。測試時將待測水聲傳感器放置在壓電圓管中央。

圖2 水聲傳感器測試裝置示意圖

其中，水槽杯體采用鋼材料制作，因其與吸聲材料和透聲材料相比，在同樣的激勵條件下，鋼材料可以獲得更大的聲能量，同時鋼材料的密度大，質量大，可以很好地保證測試裝置的穩定性。另外，為防止因鋼材料不純而導致杯體生銹，需對水槽杯體進行鍍鉻處理。

為實現對壓電圓管的準確定位安裝，同時保證壓電陶瓷圓管能夠自由振動，在壓電圓管上下端安裝卡口定位圈。卡口定位圈采用聚四氟乙烯制作，具有良好的耐腐蝕特性，為便于安裝導線，卡口周圍開了4個半圓形小口。同時，為使內外兩個腔體有效隔離，并保證整個測試裝置具有良好氣密性，在卡口定位圈凹槽處安裝了橡膠圈。水聲傳感器測試裝置的實物圖如圖3所示。

2.2 硬件電路

圖3 水聲傳感器測試裝置實物圖

水聲傳感器測試系統硬件電路主要由水聲傳感器激勵電路、信號調理電路、適配器硬件電路3部分組成。其中，水聲傳感器激勵電路主要完成對壓電陶瓷的驅動，通過施加激勵電壓使壓電陶瓷片產生振動來模擬聲壓源。信號調理電路主要完成對信號的放大、濾波、隔離，從而提高對信號檢測的準確性。適配器硬件電路主要包括模擬光耦隔離電路、數字IO光電隔離電路、穩壓電路以及各種接口轉接電路[7]。

2.3 數據采集卡和工控機

實現信號的采集和處理離不開數據采集卡和計算機。為滿足在工業環境中可靠運行的需求，本設計采用具有抗電磁干擾、抗振、抗沖擊等優勢的工控機。數據采集卡采用泛華公司基于PCI總線的多功能數據采集卡PCI-3361，板卡提供16路模擬輸入，內置16位ADC，單通道最高可達250kS/s采樣速率；2路同步模擬輸出，16位分辨率，輸出更新速率單通道最高2MS/s；8路數字輸入輸出端口及16路多功能數字輸入輸出端口；2路計數器。這款數據采集卡的性能完全滿足系統采集功能的需要。

實際測試時，將PCI-3361數據采集卡插入到計算機主板上的PCI擴展插槽內，用雙屏蔽高性能線纜將PCI-3361數據采集卡和適配器接線端口相連接，并在計算機的控制下完成對信號的采集、存儲等功能。

3 水聲傳感器測試系統軟件設計

水聲傳感器測試模塊主要對傳感器的靈敏度進行測試，用戶界面如圖4所示。

水聲傳感器測試分兩種測試模式，第1種為單點測試，由測試人員在操作面板上手動設置激勵信號。其中激勵信號的頻率采用可供選擇的下拉式菜單框，根據被測水聲傳感器的工作頻率范圍，其可供選擇的值為 10，20，50，100，200，500，1000，2000，5000Hz。由于被測水聲傳感器的動態范圍為105～165dB，因此聲壓的輸入范圍為105～165之間的整數，根據水聲傳感器測試裝置的特性，對不同頻率對應的聲壓輸入范圍進行設定；設置好激勵信號后，按下相應“開始單點測試”按鍵，即可測得相應的聲壓、傳感器的輸出聲壓和聲靈敏度信息。

第2種為連續測試，按下“開始連續測試”按鈕，程序自動改變測試頻率及激勵聲壓信號幅度，測試并計算 10，20，50，100，200，500，1000，2000，5000Hz 處的聲壓傳感器靈敏度，繪出水聲傳感器開路接收聲壓靈敏度頻率響應曲線。

水聲傳感器測試系統軟件設計主要分為水聲信號的采集與IO控制、數據處理和生成報表3個部分。

3.1 數據采集及IO控制模塊

水聲傳感器測試的整個數據采集過程涉及模擬輸入（AD）、模擬輸出（DA）、IO控制3個部分的協同運作。因此，需考慮三者間任務開始的先后順序[8]。利用順序結構實現這一時序控制。

首先，利用兩路數字IO根據不同頻率水聲傳感器信號的大小來控制電路程控放大的倍數，IO輸出共有 4 種組合：00，01，10，11，分別對應程控放大倍數1，10，100，1000 倍。

然后，利用模擬輸出（DA）模塊產生一路正弦波激勵信號，為方便后面的數據處理，模擬輸出使用的采樣率與模擬輸入的一致，且模擬輸出采樣數的設置需考慮到產生的激勵信號必須能夠持續到采樣結束，否則還未采集完激勵就停止了，將采集不到數據。因此，本設計中模擬輸出采樣數設置為模擬輸入采樣數據量的1.2倍。

圖4 水聲傳感器測試系統用戶界面

最后利用一路模擬輸入（AD）進行數據采集。為方便數據處理并提高測試精度，在數據采集過程中采用了整周期采樣法，即針對不同頻率的信號都固定采樣100000個數據，并且通過調節采樣頻率，保證采樣時間始終是信號周期的整數倍，這樣可以有效抑制干擾和噪聲的影響。

3.2 數據處理

3.2.1 數字鎖相放大

數據采集卡采集到的傳感器輸出信號為湮沒在噪聲中的微弱信號，在對采集到的數據進行計算之前需要對其進行微弱信號檢測，利用數字正交鎖相放大的方法對其進行處理。

鎖相放大器[9]（lock-in amplifier，LIA）是以相關檢測技術為基礎，對檢測信號和參考信號進行互相關運算，利用參考信號頻率與輸入信號頻率相關，與噪聲頻率不相關，從而從噪聲中提取有用信號。正交鎖相放大器由一路信號通道、兩路參考通道和兩個相關器（相敏檢波器）組成。相敏檢波器實際上是一個乘法器。輸入信號和參考信號分別加在相敏檢波器的兩個輸入端。

本設計中用正弦波作為鎖相放大器的參考信號[10]。Vs（t）=x（t）+n（t）表示系統實際接收到的帶有噪聲的信號，其中 x（ t）=Asin（ ωt+φ）是需要檢測的樣品信號，n（t）則表示背景噪聲。Vr（t）=Bsin（ωt）與V′r（t）=Bsin（ωt+π/2）分別是與x（t）同頻的參考信號1和參考信號2，它們相位相差π/2。

經過數據采集卡后得到的信號是離散時間信號，其互相關函數值可以由下式表示，其中N表示采樣點數：

利用噪聲n（t）與參考信號Vr（t）、V′r（t）不相關，即可將其濾掉。

輸入信號的幅值（最大值）Vx為

3.2.2 聲壓靈敏度計算方法

若聲壓x以Pa為單位，水聲傳感器的輸出電壓y以μV為單位，由于1μPa的聲壓對應0 dB，因此當用分貝表示聲壓時，計算公式為120+20lgx；由于聲壓靈敏度1V/μPa對應0dB，因此聲傳感器的聲壓靈敏度計算公式為

4 測試結果

分別在 10，20，50，100，200，500，1 000，2 000，5000Hz 9個頻率點對某型水聲傳感器的聲壓靈敏度進行測試，表1為不同測試頻率下的水聲傳感器聲壓靈敏度測試結果，表2為激勵信號頻率固定、幅度變化時水聲傳感器聲壓靈敏度測試結果。從表1可以看出：在10Hz～5kHz頻率范圍內，被測水聲傳感器的聲壓靈敏度隨頻率的升高有所下降，變化范圍為-204.14~-181.12dB。

表1 不同測試頻率下水聲傳感器靈敏度測試結果

表2 激勵電壓幅度變化時水聲傳感器靈敏度測試結果

從表2可以看出：當激勵聲壓幅度變化時，水聲傳感器的靈敏度測試結果基本不變（誤差＜0.2 dB），說明聲壓產生裝置和被測聲傳感器均具有良好的線性。

5 結束語

本文設計了一套基于LabVIEW的便攜式水聲傳感器靈敏度測試系統?？紤]到待測水聲傳感器的換能器主要是壓電陶瓷，為便于現場測試，采用壓電振動法對水聲傳感器進行測試。利用LabVIEW軟件控制輸出程控電壓信號驅動壓電陶瓷片產生振動來模擬聲壓源，通過電壓控制改變壓電陶瓷片的振動幅度并對水聲傳感器的輸出信號進行一系列處理，從而計算出被測水聲傳感器的聲壓靈敏度。測試結果表明：該水聲傳感器測試系統測試精度高，并且具有操作簡單、便于攜帶的優點，適用于工業現場對水聲傳感器性能的測試。

[1]鮑國良，王同慶.消聲水池的設計及其自由場測量實驗[J].電聲技術，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]趙然.xPMnS-（1-x）PZN壓電陶瓷在水聲換能器中的應用[D].武漢：武漢理工大學，2006.

[6]周心一，黃建平，謝可夫.壓電圓管換能器振動特性的薄殼理論分析[J].應用聲學，2003，22（ 4）：11-15.

[7]楊博.基于虛擬儀器的水聲換能器校準系統的研究與實現[D].南京：東南大學，2008.

[8]楊斌.基于虛擬儀器的換能器測試系統的設計與應用[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011.

[9]楊建新，武銀蘭.鎖定放大器在檢測微弱信號中的應用[J].物理通報，2012（ 9）：80-82.

[10]高晉占.微弱信號檢測[M].北京：清華大學出版社，2004：201-205.