一種圓面活塞輻射器指向性近場測量數據處理方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于高頻換能器聲學參數測量領域，尤其涉及一種圓面活塞輻射器指向性 近場測量數據處理方法。
【背景技術】
[0002] 指向性是換能器的遠場重要特性之一，換能器指向性測量的常規方法是在遠場進 行測量，20世紀80年代以來，相繼出現了各種近場測量方法，其基本原理是在近場的菲涅 爾區測量聲場的全息聲壓數據，利用聲場變換技術，重建聲源的遠場。
[0003]目前的近場測量技術需要測量近場中局部有限大平面上的復聲壓數據，為了減小 接收水聽器對聲場的影響，一般采用單個或一列水聽器在平面上的機械移動測量得到一個 平面上的數據，如王世全等人通過三維掃描運動定位機構的運動控制，完成一個平面的測 量（一種高頻超聲發射器及陣列聲學參數近場校準方法，專利號：201210319978. 5);平自 紅等人利用多個小型傳感器組成球形基陣進行近場測量（一種水聲傳感器聲學參數近場 測量方法，專利號=201310030311.8)。通過機械移動測量的方法可以對任意聲源進行近場 測量，但是對掃描定位的精度要求較高，并且掃面定位機構需要進行三維運動，結構較為復 雜；通過多個小型傳感器組成球形基陣進行測量的方法需要較多的傳感器，且多個傳感器 組成的陣列會對聲場產生影響，降低測量精度。圓面活塞輻射器是一種較為常見的水聲換 能器，其輻射聲場具有軸對稱性，因此測量時可通過測量垂直于聲軸方向的一條線上的聲 場得到一個測量面的聲場分布，王世全等人的測量方法雖然也可以只測量垂直于聲軸方向 的一條線上的聲場，但其專利中并沒有給出具體的數據處理方法。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種簡單易于實現的，圓面活塞輻射器指向性近場測量數據 處理方法。
[0005] -種圓面活塞輻射器指向性近場測量數據處理方法，包括以下幾個步驟，
[0006] 步驟一：水聽器組成直線陣列，水聽器接收到復聲壓數據后，在垂直于聲軸的水聽 器陣列所在平面上，每個水聽器以聲軸為中心旋轉一周的圓周上取等間隔點，這些點為虛 擬點，水聽器所在位置的點為實測點，每個虛擬點處的復聲壓數據為對應圓周上實測點處 的復聲壓數據，得到一個測量圓面上的復聲壓數據，其中圓面為次級聲源；
[0007] 步驟二：水聽器陣列沿聲軸方向移動Ad距離，重復步驟一，得到相距Ad距離的 測量面上的復聲壓數據；
[0008] 步驟三：由步驟一和步驟二中測得的復聲壓數據，利用有限差分得到次級聲源的 質點振速：
[0010] 其中，u為質點振速，j為復數符號，P為介質密度，c為介質中的聲速，k為波數， P2、P1為兩個測量面上的聲壓，a d為兩個測量面的距離；
[0011] 步驟四：得到測量面外聲場中給定點處的聲壓：
[0013] 其中，M為次級聲源面的總的面元數，為聲場中給定點到次級聲源面上第m個 面元的距離，β為聲場中給定點與次級聲源面上第m個面元的連線與次級聲源面法線的夾 角，As為第m個面元的面積。
[0014] 本發明一種圓面活塞輻射器指向性近場測量數據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的三分之 一；每個水聽器以聲軸為中心旋轉一周的圓周上，虛擬點之間的間隔距離也滿足小于等于 波長的三分之一。
[0016] 有益效果：
[0017] 本發明由一條線上的測量值通過旋轉近似得到一個面上復聲壓數據，數據處理方 法簡單，易于實現；
[0018] 本發明只需分別測量相距一定距離的兩條線上的聲壓值，通過旋轉得到兩個面上 的聲壓值，因此相對于一般的測量兩個面的聲壓值的近場測量方法，測量的數據量減少，進 而提尚了測量效率；
[0019] 本發明技術方案中只需對接收水聽器陣列在聲軸方向上一維水平移動，不需在垂 直聲軸方向的移動，因此所需的測量結構簡單，降低了測量結構的復雜度。
【附圖說明】
[0020] 圖1輻射器和水聽器布放示意圖
[0021] 圖2虛擬點構建示意圖；
[0022] 圖3水聽器各陣元接收到的聲壓幅值；
[0023] 圖4次級聲源面上的聲壓幅值分布；
[0024] 圖5圓面活塞輻射器遠場指向性測量值；
[0025] 圖6圓面活塞輻射器遠場指向性理論值。
【具體實施方式】
[0026] 下面將結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0027] 本發明的目的是為了解決圓面活塞輻射器的遠場指向性測量過程中實施困難、信 噪比低等問題，以及解決現有近場測量方法設備復雜、測量數據量大的問題，提出了一種簡 單易于實現的圓面活塞輻射器指向性的近場測量數據處理方法。
[0028] 為達到上述目的，本發明采用以下技術方案：
[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區域通過且垂直于聲 軸方向的測量線上的復聲壓數據。根據圓面活塞輻射器輻射聲場的軸對稱性，在垂直于聲 軸的水聽器陣列所在平面上，每個水聽器以聲軸為中心旋轉一周的圓周上取一系列等間隔 點，這些點為虛擬點，水聽器所在位置的點為實測點。每個虛擬點處的復聲壓數據為對應圓 周上實測點處的復聲壓數據，這樣就由一條線上的水聽器接收數據近似得到一個測量圓面 上的接收數據，圓面作為次級聲源。
[0030] (2)水聽器陣列沿聲軸方向移動Δ d距離，重復步驟（1)，得到相距Δ d距離的測 量面上的復聲壓數據。
[0031] (3)由步驟⑴和步驟⑵中測得的聲壓數據，利用有限差分得到次級聲源的質點 振速，具體的差分形式為：
[0033] 其中，u為質點振速，j為復數符號，P為介質密度，c為介質中的聲速，k為波數， P2、P1為兩個測量面上的聲壓，A d為兩個測量面的距離。
[0034] (4)由Helmholtz公式，可得測量面外聲場中給定點處的聲壓，具體公式為：
[0036] 其中，