一種圓面活塞輻射器指向性近場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高頻換能器聲學(xué)參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種圓面活塞輻射器指向性 近場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 指向性是換能器的遠(yuǎn)場(chǎng)重要特性之一，換能器指向性測(cè)量的常規(guī)方法是在遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn) 行測(cè)量，20世紀(jì)80年代以來(lái)，相繼出現(xiàn)了各種近場(chǎng)測(cè)量方法，其基本原理是在近場(chǎng)的菲涅 爾區(qū)測(cè)量聲場(chǎng)的全息聲壓數(shù)據(jù)，利用聲場(chǎng)變換技術(shù)，重建聲源的遠(yuǎn)場(chǎng)。
[0003]目前的近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)需要測(cè)量近場(chǎng)中局部有限大平面上的復(fù)聲壓數(shù)據(jù)，為了減小 接收水聽器對(duì)聲場(chǎng)的影響，一般采用單個(gè)或一列水聽器在平面上的機(jī)械移動(dòng)測(cè)量得到一個(gè) 平面上的數(shù)據(jù)，如王世全等人通過(guò)三維掃描運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制，完成一個(gè)平面的測(cè) 量（一種高頻超聲發(fā)射器及陣列聲學(xué)參數(shù)近場(chǎng)校準(zhǔn)方法，專利號(hào)：201210319978. 5);平自 紅等人利用多個(gè)小型傳感器組成球形基陣進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)量（一種水聲傳感器聲學(xué)參數(shù)近場(chǎng) 測(cè)量方法，專利號(hào)=201310030311.8)。通過(guò)機(jī)械移動(dòng)測(cè)量的方法可以對(duì)任意聲源進(jìn)行近場(chǎng) 測(cè)量，但是對(duì)掃描定位的精度要求較高，并且掃面定位機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較為復(fù) 雜；通過(guò)多個(gè)小型傳感器組成球形基陣進(jìn)行測(cè)量的方法需要較多的傳感器，且多個(gè)傳感器 組成的陣列會(huì)對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生影響，降低測(cè)量精度。圓面活塞輻射器是一種較為常見的水聲換 能器，其輻射聲場(chǎng)具有軸對(duì)稱性，因此測(cè)量時(shí)可通過(guò)測(cè)量垂直于聲軸方向的一條線上的聲 場(chǎng)得到一個(gè)測(cè)量面的聲場(chǎng)分布，王世全等人的測(cè)量方法雖然也可以只測(cè)量垂直于聲軸方向 的一條線上的聲場(chǎng)，但其專利中并沒(méi)有給出具體的數(shù)據(jù)處理方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)的，圓面活塞輻射器指向性近場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù) 處理方法。
[0005] -種圓面活塞輻射器指向性近場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法，包括以下幾個(gè)步驟，
[0006] 步驟一：水聽器組成直線陣列，水聽器接收到復(fù)聲壓數(shù)據(jù)后，在垂直于聲軸的水聽 器陣列所在平面上，每個(gè)水聽器以聲軸為中心旋轉(zhuǎn)一周的圓周上取等間隔點(diǎn)，這些點(diǎn)為虛 擬點(diǎn)，水聽器所在位置的點(diǎn)為實(shí)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)虛擬點(diǎn)處的復(fù)聲壓數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)圓周上實(shí)測(cè)點(diǎn)處 的復(fù)聲壓數(shù)據(jù)，得到一個(gè)測(cè)量圓面上的復(fù)聲壓數(shù)據(jù)，其中圓面為次級(jí)聲源；
[0007] 步驟二：水聽器陣列沿聲軸方向移動(dòng)Ad距離，重復(fù)步驟一，得到相距Ad距離的 測(cè)量面上的復(fù)聲壓數(shù)據(jù)；
[0008] 步驟三：由步驟一和步驟二中測(cè)得的復(fù)聲壓數(shù)據(jù)，利用有限差分得到次級(jí)聲源的 質(zhì)點(diǎn)振速：
[0010] 其中，u為質(zhì)點(diǎn)振速，j為復(fù)數(shù)符號(hào)，P為介質(zhì)密度，c為介質(zhì)中的聲速，k為波數(shù)， P2、P1為兩個(gè)測(cè)量面上的聲壓，a d為兩個(gè)測(cè)量面的距離；
[0011] 步驟四：得到測(cè)量面外聲場(chǎng)中給定點(diǎn)處的聲壓：
[0013] 其中，M為次級(jí)聲源面的總的面元數(shù)，為聲場(chǎng)中給定點(diǎn)到次級(jí)聲源面上第m個(gè) 面元的距離，β為聲場(chǎng)中給定點(diǎn)與次級(jí)聲源面上第m個(gè)面元的連線與次級(jí)聲源面法線的夾 角，As為第m個(gè)面元的面積。
[0014] 本發(fā)明一種圓面活塞輻射器指向性近場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法還可以包括：
[0015] 1、水聽器組成的直線陣列中，兩水聽器之間的距離滿足小于等于波長(zhǎng)的三分之 一；每個(gè)水聽器以聲軸為中心旋轉(zhuǎn)一周的圓周上，虛擬點(diǎn)之間的間隔距離也滿足小于等于 波長(zhǎng)的三分之一。
[0016] 有益效果：
[0017] 本發(fā)明由一條線上的測(cè)量值通過(guò)旋轉(zhuǎn)近似得到一個(gè)面上復(fù)聲壓數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理方 法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；
[0018] 本發(fā)明只需分別測(cè)量相距一定距離的兩條線上的聲壓值，通過(guò)旋轉(zhuǎn)得到兩個(gè)面上 的聲壓值，因此相對(duì)于一般的測(cè)量?jī)蓚€(gè)面的聲壓值的近場(chǎng)測(cè)量方法，測(cè)量的數(shù)據(jù)量減少，進(jìn) 而提尚了測(cè)量效率；
[0019] 本發(fā)明技術(shù)方案中只需對(duì)接收水聽器陣列在聲軸方向上一維水平移動(dòng)，不需在垂 直聲軸方向的移動(dòng)，因此所需的測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了測(cè)量結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1輻射器和水聽器布放示意圖
[0021] 圖2虛擬點(diǎn)構(gòu)建示意圖；
[0022] 圖3水聽器各陣元接收到的聲壓幅值；
[0023] 圖4次級(jí)聲源面上的聲壓幅值分布；
[0024] 圖5圓面活塞輻射器遠(yuǎn)場(chǎng)指向性測(cè)量值；
[0025] 圖6圓面活塞輻射器遠(yuǎn)場(chǎng)指向性理論值。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0027] 本發(fā)明的目的是為了解決圓面活塞輻射器的遠(yuǎn)場(chǎng)指向性測(cè)量過(guò)程中實(shí)施困難、信 噪比低等問(wèn)題，以及解決現(xiàn)有近場(chǎng)測(cè)量方法設(shè)備復(fù)雜、測(cè)量數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題，提出了一種簡(jiǎn) 單易于實(shí)現(xiàn)的圓面活塞輻射器指向性的近場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法。
[0028] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0029] (1)利用水聽器組成的直線陣列，獲得圓面活塞輻射器近場(chǎng)區(qū)域通過(guò)且垂直于聲 軸方向的測(cè)量線上的復(fù)聲壓數(shù)據(jù)。根據(jù)圓面活塞輻射器輻射聲場(chǎng)的軸對(duì)稱性，在垂直于聲 軸的水聽器陣列所在平面上，每個(gè)水聽器以聲軸為中心旋轉(zhuǎn)一周的圓周上取一系列等間隔 點(diǎn)，這些點(diǎn)為虛擬點(diǎn)，水聽器所在位置的點(diǎn)為實(shí)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)虛擬點(diǎn)處的復(fù)聲壓數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)圓 周上實(shí)測(cè)點(diǎn)處的復(fù)聲壓數(shù)據(jù)，這樣就由一條線上的水聽器接收數(shù)據(jù)近似得到一個(gè)測(cè)量圓面 上的接收數(shù)據(jù)，圓面作為次級(jí)聲源。
[0030] (2)水聽器陣列沿聲軸方向移動(dòng)Δ d距離，重復(fù)步驟（1)，得到相距Δ d距離的測(cè) 量面上的復(fù)聲壓數(shù)據(jù)。
[0031] (3)由步驟⑴和步驟⑵中測(cè)得的聲壓數(shù)據(jù)，利用有限差分得到次級(jí)聲源的質(zhì)點(diǎn) 振速，具體的差分形式為：
[0033] 其中，u為質(zhì)點(diǎn)振速，j為復(fù)數(shù)符號(hào)，P為介質(zhì)密度，c為介質(zhì)中的聲速，k為波數(shù)， P2、P1為兩個(gè)測(cè)量面上的聲壓，A d為兩個(gè)測(cè)量面的距離。
[0034] (4)由Helmholtz公式，可得測(cè)量面外聲場(chǎng)中給定點(diǎn)處的聲壓，具體公式為：
[0036] 其中，