一種自動化聲納換能器測量系統設計與實現

席偉+姚直象+夏羽+羅彥龍

摘 要：文章針對聲納換能器的測試需求，對聲納換能器自動測量系統展開研究，對聲納水池測量系統的基本組成和總體結構進行研究，給出了具體實現方法。

關鍵詞： 自動化；聲納；換能器；測量系統

1 概述

在海軍作戰體系中，水下的信息化作戰是非常重要的組成部分。聲納作為水下信息化作戰的核心裝備，越來越多的受到各軍事強國的重視。聲納裝備主要由水下分機（水聲換能器）、發射機、接收機、電源機柜和顯控臺幾個部分組成。其中水聲換能器是將發射機提供的脈沖電信號轉換為聲信號，并在水下向目標發射出去，聲信號在水下傳播，遇到目標及其他物體，部分波會反射回，經換能器轉換為電信號，送接收機處理[1][2]。水聲換能器的性能指標能夠直接影響整部聲納對目標的檢測性能[3]，這是因為換能器獲得的增益是實實在在的，如果水聲換能器的設計和制作出現影響聲納性能的缺陷，則會直接影響聲納的正常工作。在軍用聲納領域，換能器的指標和性能是否滿足使用要求，關系到全艦、全艇的作戰性能甚至航行安全。聲納換能器由于工作環境的特殊性，其老化速度和老化程度與使用時間和使用環境有著密不可分的聯系。為了保持聲納換能器的技術性能，需要對聲納水下聲系統進行定期檢測和維護。

2 聲納換能器電聲測量內容和方法

聲納水下換能器電參數測量包括：靜態電容、絕緣電阻、阻抗、接收靈敏度及一致性、基元指向性和基元聲源級測量，其中靜態電容和絕緣電阻這兩個項目可用通用電容表和絕緣表進行測量，阻抗的測量可以采用專用的阻抗測試儀或者數字電橋進行測量，接收靈敏度、一致性、指向性和基元聲源級測量需要在水下完成測試。

2.1 靈敏度測量

換能器自由場電壓靈敏度一般是在球面波自由場中測量的。聲場布置滿足遠場條件，測量方法一般采用自由場比較法，需要一個輔助發射換能器（發射換能器），在一定頻率上發射足夠大的聲信號，另外需要一個標準水聽器并將其接收信號幅度作為參考。在實際測量中，將待測換能器和標準水聽器先后放入聲場中同一位置處，讓它們接收相同的聲壓，然后比較它們的開路輸出電壓。自由場比較法測量換能器自由場電壓靈敏度的測量框圖，如圖1所示。

2.2 發送響應測量

換能器發送響應通常是指發送電壓響應、發送電流響應和發送功率響應。換能器發送響應測量是在自由場中進行的，所以聲場布置應滿足遠場條件，測量方法一般采用自由場比較法，因此在實際測量中，需要一個標準水聽器來測量換能器在遠場上的輻射聲壓。

利用自由場比較法測量換能器發送響應的測量框圖，如圖2所示。

2.3 指向性測量

指向性是指換能器的發送響應或自由場靈敏度隨發送或入射聲波方向變化的特性，一般用指向性圖來表示。指向性圖通常要作歸一化處理，因為它是任一方向上發送響應，或者接收靈敏度相對于參考方向（通常為聲軸方向）上發送響應，再或者接收靈敏度的變化曲線，即將軸向發送響應或接收靈敏度設為0dB，再將任意方向上的發送響應或接收靈敏度與軸向發送響應或接收靈敏度的比值隨方向的變化用極坐標或者直角坐標下的圖形表示出來。

如果換能器是互易的，則它的發射指向性圖和接收指向性圖是相同的，否則發射指向性圖和接收指向性圖是有差異的。

發射換能器指向性的測量如圖3所示，待測換能器發射聲波，標準水聽器接收聲波。

接收換能器指向性的測量如圖4所示，發射換能器發射聲波，待測換能器接收聲波。通常指向性圖是用極坐標圖進行描述的。在實際進行指向性測量時，為了確保測量的準確性，升降回轉裝置如有抖動則應采取隔振措施。此外還需要在測量換能器指向性之前，先適當調整發射信號的大小和接收系統增益的大小。

每個換能器在檢驗和調試過程中都需要對以上技術參數進行測量，測試工作量非常巨大，設計并建設一套高精度快速聲納水池電聲參數自動測量系統勢在必行。

3 自動化換能器測量系統設計

依據上述聲納換能器電聲測量項目內容和測試方法，將聲納水池測量系統基本機構劃分為自動測量系統、消聲水池、升降回轉系統和測量換能器四個部分組成。其中消聲水池提供測量的測試環境，升降回轉系統控制被測換能器和基陣的空間測量姿態，自動測量系統和換能器共同承擔測量的信號的產生、發射、接收、放大、濾波、信號處理和結果顯示功能。根據上述分析，提出聲納換能器水池測量系統的基本結構和框圖，整個水聲換能器電聲參數測量系統的組成如圖5所示。

（1）發射部分主要由信號源板、功率放大器、電壓電流取樣器和發射換能器組成，主要功能是向水中發射一定頻率、周期和脈沖寬度的脈沖聲信號。

（2）接收部分主要由標準水聽器、被測水聽器、電子開關、測量放大器、多通道濾波器和多通道示波器組成，主要功能是接收聲信號，聲信號經過信號調理后進入后續的信號采集處理部分。

（3）信號采集處理部分主要是由控制計算機、多通道示波器、信號采集處理軟件等組成，信號采集處理軟件是根據產品接口、功能特性定制的水聲測試專用信號處理軟件。

（4）控制部分主要由計算機、接口和測試軟件組成，通過測試軟件進行水聲產品電聲性能的自動化測量并形成測試報告。

進行測試工作時，水聲換能器電聲參數測試系統由計算機控制水下轉臺或升降回轉裝置，將被測換能器放置在水下某一深度處和某一方向上，使標準水聲器、輔助換能器、被測換能器的有效聲中心處于同一直線上。

進行測量工作時，由計算機控制升降回轉裝置，使水聲換能器處于某一運動狀態，由信號源板產期的正弦脈沖信號，經功率放大器放大后，由換能器向水下發射脈沖產生一定頻率、脈沖寬度的重復周聲信號，由標準水聽器接收聲信號，經測量放大器和程控濾波器進行信號調理后，由多通道數字示波器采集聲信號，再經測量程序進行數字信號處理后得到所需測量的技術參數。

4 系統軟件

水聲換能器電聲參數測量系統軟件是整個測試系統的中樞，負責測試指令的下達、執行和結果顯示，指揮各個模塊之間的協調有序工作。軟件部分主要包含人機用戶界面、硬件接口通信、數據處理和分析三大模塊。水聲換能器電聲參數測量系統軟件如圖6所示。主要由用戶界面、環境參數、儀器控制、升降回轉控制、信號采集和處理、文件保存和打印等子程序組成。

人機交互界面即測試系統主界面，是為了便于測試人員輸入測量項目、測試內容參數設定和測量結果顯示等一系列工作。完成測試項目的選擇、測試參數設定、測試結果觀察，測試狀態控制等工作的界面顯示。

硬件接口通信相當于一個軟硬件的橋梁，通過該模塊實現硬件目標與協調之間通信，完成人機交互界面和目標硬件之間的數據信息和控制指令的傳遞。

數據分析處理對接收信號進行信號處理和分析，它把從目標儀器獲得的各種信息做相應的處理，并可以根據需要來執行相應的功能，例如可以把處理之后的結果按照使用者的需要提供給界面進行顯示，可以反饋數據信息給控制界面，也可以將測量得到的數據根據界面上的輸入進行處理。

軟件框架采用Visual Studio Basic開發工具設計開發，具有視窗軟件的特點，用戶界面友好，操作簡單實用，利用該軟件可以自動完成被測換能器靈敏度、發送響應、聲源級等電聲參數的測量，并通過外置打印機實現測量結果的打印輸出，實現高效的自動化測量，并大大提高測量精度和準確度。

測試軟件中還需要對回轉裝置進行控制，高精度升降回轉裝置的控制子程序：按照通訊協議控制控制器進行升降回轉等動作。水聲測量系統計算機通過無線數傳的方式與升降回轉控制器通訊。水聲測量系統計算機與無線數傳模塊的通訊采用RS232方式，模塊通訊接口管腳同微機串行接口，選用帶交叉的通訊電纜即可。

5 結束語

本文針對聲納換能器的測試需求，對聲納換能器自動測量系統展開研究，在此基礎上設計并開發高精度、高可靠性、自動化的水聲換能器測量系統，利用5型換能器對聲吶換能器水池測量系統進行了驗證，分別對阻抗測量、靈敏度測量、發送響應、電聲線性和指向性進行了測試。取得了比較好的效果。

參考文獻

[1]閻福旺.水聲換能器技術[M].北京：海洋出版社，1999.

[2]周福洪.水聲換能器及基陣[M].北京：國防工業出版社，1984.

[3]李啟虎.數字式聲納設計原理[M].合肥：安徽教育出版社，2002.