100kHz～1MHz頻率范圍水聽器靈敏度激光法校準及其驗證

王世全

(杭州應用聲學研究所，浙江杭州 311400)

1 引 言

水聽器廣泛用于水聲探測、識別、通信以及海洋噪聲測量中，為了保證水聲聲壓量值的準確性，必須對傳遞水聽器和標準水聽器的靈敏度進行校準和測量。

水聽器的校準分為一級校準和二級校準，又稱為絕對校準和相對校準。在100kHz～1MHz頻率范圍內，對于標準水聽器的一級校準一般是采用三換能器球面波互易法[1]。通過使用發射換能器和互易換能器，依據電聲互易原理便可獲得被校水聽器的靈敏度，但缺點是測量過程比較麻煩，需要進行三組換能器的安裝操作；加之互易法校準受到的影響因素比較多，測量不確定度根據校準頻率的不同一般為(0.5～0.9)dB[2]。

為進一步降低常壓下水聽器靈敏度校準裝置的不確定度，光學校準方法引入到水聲聲壓校準中。光學法用于校準水聽器步驟較為簡便，僅需兩次測量即可得到待校準水聽器的靈敏度，其本質上是一種替代校準，因此，該方法不受換能器互易性的影響。英國國家物理實驗室于1988年在(0.5～15)MHz頻段開始使用激光法測量技術替換傳統的互易法校準[3,4]，并使測量不確定度下降至0.6dB以下。經過技術的不斷發展，光學方法校準不斷向低頻段拓展[5,6,7]。目前，英國國家物理實驗室在著手運用激光干涉法建立100kHz～1MHz頻段內的校準裝置，預期將測量不確定度降低到(0.3～0.4)dB左右。

本文介紹了激光法水聲聲壓校準裝置的校準原理及系統構成，并采用激光法對TC4034和BK8103水聽器進行了校準實驗研究，分析了激光法校準裝置的測量不確定度。同時校準結果與三換能器互易法對校準結果進行了對比，給出了二者的偏差可能的原因。

2 校準原理

采用光學法校準水聲聲壓，是通過利用光學法測量水介質中的質點振速(或位移)實現的，其校準水聽器靈敏度的原理，如圖1所示。

圖1 光學方法校準水聽器靈敏度原理示意圖Fig.1 The schematic figure of calibrating the hydrophone using optical method

輔助換能器向水介質中發射聲波，在聲場中距離發射換能器一定位置處(發射換能器的遠場，滿足平面波條件)布放反光透聲膜片，激光測振儀的激光束入射到水介質中一透聲反光的膜片上，經過膜片反射后返回激光測振儀解碼輸出，即可得到膜片的振動幅度量值。理論上可以證明，如果膜片厚度遠小于聲波波長，膜片將跟隨周圍的水介質作同相的運動。因此，通過激光測量膜片的振速(或位移)即可得到膜片上激光入射點處水介質的質點振速(或位移)。當膜片處于發射換能器的聲學遠場時，根據平面波假設，通過測得膜片所在處質點振速(或位移)量值，就可得到該點的聲壓量值為

p=ρcu或p=ρcωa

(1)

式中：ρ——水介質的密度；c——水介質中聲速；ω——角頻率；u——質點振速；a——質點位移。

移走膜片，將待測水聽器置于膜片所在的位置，測量水聽器的開路輸出電壓Uoc，根據水聽器靈敏度的定義，即可得到待校準水聽器的靈敏度。

若采用激光測振儀的振速輸出端口時，水聽器的靈敏度為

(2)

式中：Uoc——水聽器的開路輸出電壓；Uopt——激光測振儀的輸出電壓；Ku——激光測振儀的振速靈敏度。

若采用激光測振儀的位移輸出端口時，水聽器的靈敏度為

(3)

式中：Ka——激光測振儀的位移靈敏度。

3 校準裝置構成

光學法水聽器校準裝置的系統構成如圖2所示。該校準裝置由信號源、功率放大器、輔助換能器、反光膜片、激光測振儀、測量放大器、濾波器、數字示波器、程控計算機等構成。其中，信號源、功率放大器、輔助發射換能器等構成信號發射分系統，用于產生校準所需的聲場；激光測振儀、測量放大器、濾波器、數字示波器等組成信號接收分系統，用于信號的采集、調理和顯示等；另外，還包括測量水池及換能器定位調節機構等，用于提供校準所需的環境，實現輔助換能器和待校準水聽器的定位調節等。計算機通過接口控制卡實現對各儀表的控制，并對校準數據自動采集、處理、存儲和顯示。

圖2 光學法校準裝置構成示意圖Fig.2 The constitution of the calibration facility using optical method

校準系統中，信號源采用Agilent公司的33250，功率放大器采用的是AR75A250A，用以產生并放大信號激勵換能器，向水介質中輻射校準用的聲信號。濾波器為NF3628，激光測振儀采用的Polytec公司的OFV5000系列，數字示波器為Agilent公司的DSO6014。測量水槽長1.4m，寬1m，內部鋪設吸聲尖劈。

4 水聽器校準及結果分析

被校準水聽器分別為TC4034水聽器和BK8103水聽器，如圖3(a)和圖3(b)所示。其中TC4034水聽器的校準頻率范圍(100～500)kHz，BK8103水聽器的校準頻率范圍為100kHz～1MHz。

圖3 TC4034水聽器與BK8103水聽器圖Fig.3 Figures of the TC 4034 hydrophone and BK 8103 hydrophone

校準時，信號源產生正弦信號，經過功率放大器放大后驅動輔助換能器向校準水池中輻射聲波，反光膜片被安裝在精密升降回轉機構上。激光測振儀發射光束入射到該反光膜片上，經反射后返回激光測振儀進行測量，得到質點位移值，通過計算得到該點的聲壓值；然后用待校水聽器取代反光膜片，使水聽器的參考中心與反光膜片上激光入射點重合，保持發射系統不變，在相同聲波作用下，待校水聽器輸出開路電壓信號，經濾波器進行濾波，再輸入數字示波器進行采集和計算，得到待校水聽器輸出的開路電壓信號，由標準水聽器靈敏度計算公式，得到被校標準水聽器的自由場靈敏度。改變信號頻率，在待校頻率點上重復以上校準過程，即可得到整個校準頻段上待校水聽器的靈敏度響應。

校準時，輔助發射器采用直徑40mm和直徑30mm的平面型發射器，收發距離為45cm。TC4034校準頻率范圍為(100～500)kHz，校準頻率點間隔為10kHz。BK8103水聽器，校準頻率范圍為(100～1 000)kHz，校準結果分別如圖4和圖5所示，作為對比，各圖中也分別給出了采用三換能器互易法的校準結果。

圖4 TC4034水聽器激光法校準結果與互易法校準結果比對Fig.4 The comparison of the TC 4034 calibration results between the optical and the reciprocal method

TC4034水聽器自由場電壓靈敏度校準結果可見，在(100～500)kHz頻段范圍內，激光法校準結果與互易法校準結果相比，二者總體趨勢一致，在整個頻段內激光法的校準結果整體略低于互易法的校準結果，二者的偏差在(-1～-0.3)dB之間。

圖5 B&K 8103水聽器激光法校準結果與互易法校準結果比對Fig.5 The comparison of the BK 8103 calibration results between the optical and the reciprocal method

BK8103水聽器自由場電壓靈敏度校準結果可見，在100kHz～1MHz頻段范圍內，激光法校準結果與互易法校準結果相比，二者吻合較好，在整個頻段內二者的偏差在(-0.7～1.0)dB之間。

激光法校準裝置的測量不確定度為0.5dB，其A類不確定度分量由實驗統計數據得到，最大值為0.12dB，B類不確定度分量見表1。作為對比驗證的互易法校準裝置的測量不確定度在100kHz～1MHz頻率范圍內的測量不確定度為0.9dB，因此，兩套校準裝置在100kHz～1MHz頻率范圍內測量結果的最大偏差絕對值不應大于1.03dB。

表1 B類不確定度分量來源Tab.1 The distributions of B type uncertainties來 源數值/dB激光測振儀靈敏度引入的不確定度分量0.025激光測振儀輸出電壓測量引入的不確定度分量0.1水聽器開路電壓測量引入的不確定度分量0.1水介質密度ρ的查表值引入的不確定度分量0.012水介質聲速c的查表值引入的不確定度分量0.012距離測量誤差引入的不確定度分量0.06測量環境條件引起的不確定度分量0.125發射信號不穩定引入的不確定度分量0.1B類不確定度分量uB0.22

由測量結果看，激光法校準裝置的測量結果是正確的，與互易法校準結果相比，二者的偏差均未超過兩套校準裝置可允許的最大偏差。但是注意到在(100～500)kHz頻段范圍內，激光法測量的結果整體偏低，兩套校準系統之間就像存在一個系統偏差。經分析，可能的原因在于：

1)互易校準中換能器互易性的偏差?；ヒ仔手校髶Q能器是互易的，實際校準中換能器的互易性是隨頻率變化的，在這個頻率范圍內互易性的偏差可能比較顯著，從而影響到校準結果；

2)水聽器的空間平均效應。激光法校準時，是將激光束聚焦到反光膜片上特點處，測量得到該位置的質點振動并進而計算得到聲壓。

水聽器放置到該位置測量其開路輸出電壓，由于水聽器的空間尺寸，存在一定的空間平均效應，其開路輸出電壓實際上是水聽器表面所受聲壓的綜合響應。以空間一點的聲壓代替了水聽器表面的聲壓，因此，校準的水聽器靈敏度結果會偏低。另一方面，由于光學法測量時對聲場的擾動較小，且是測量空間一點處的聲壓，這實際上與水聽器自由場電壓靈敏度的定義[8]的要求是一致的，因此，激光法校準的結果可能更接近定義值。

5 結束語

本文開展了激光法校準水聽器靈敏度實驗研究，選取TC4034和BK8103水聽器為研究對象，在100kHz～1MHz頻率范圍內分別利用激光法和互易法對兩只水聽器的靈敏度進行了校準。校準結果表明，激光法校準結果與互易法校準結果在各自校準的頻段范圍內吻合良好，二者結果偏差均未超出兩套校準裝置的最大可允許偏差。由于激光法校準時不需要互易換能器，同時利用激光法測量聲壓量值時，由于激光束具有很高的空間匯聚性，因此空間平均效應很小，其測量聲壓的條件與水聽器自由場電壓靈敏度定義要求更為接近。同時，這也可能是在該頻率范圍內校準時，激光法與互易法結果存在一個類似系統偏差的原因之一。