[发明专利]基于空间频域平滑技术的换能器转移阻抗校准装置

说明书

本发明公开了一种基于空间频域平滑技术的换能器转移阻抗校准装置，由信号发射器、功率放大器、换能器对、测量放大器、信号采集器、测量处理器、电流取样器等组成，该装置通过声场空间信息或者测量方法提取声信道信息，利用提取的声信道信息设计空间域平滑滤波器，进而通过空间频域平滑技术对发射电流信号与接收信号进行综合处理，从而得到换能器对的转移阻抗。本发明打破了原有的信号处理模式，有机地结合了声场空间信息，在频域上对发射信号与接收信号进行综合处理，能够有效地减小或消除反射波的影响，拓展了自由场条件下的测量频率下限，具有算法简单、计算量小、可大幅提高换能器的测试效率以及适用于绝大多数类型的宽带信号等优点。

技术领域

本发明属于声学计量测试技术领域，具体涉及一种基于空间频域平滑技术的换能器转移阻抗校准装置。

背景技术

换能器的转移阻抗是指发射换能器与接收水听器组合下的电转移阻抗，即水听器两端的开路电压与发射换能器的输入电流之比。它常被用于换能器的互易校准之中，其测量结果的准确性直接影响着换能器校准结果的可信度。因此，换能器转移阻抗的校准是声学计量中一个至关重要的课题。

换能器的转移阻抗校准通常都是在声压场或自由场条件下进行，但实际校准试验中很难得到理想的自由场条件，即使是在实验室条件，消声水池(或消声室)受空间大小限制，且在低频段其消声效果较差，也无法克服池壁和界面反射的影响，因而需要采用信号处理的方法来实现自由场校准。目前，信号处理的方法有声脉冲瞬态抑制技术、Prony谱分析技术、多路径建模、CMWA等。声脉冲瞬态抑制技术是对换能器激励一特定的瞬态抑制电压信号，使得换能器发射信号的起始瞬态与终止瞬态得到有效的抑制，但该技术要求抑制后的电压信号至少有2～3个稳态波是处于自由场条件下。Prony谱分析技术是将信号表示为与换能器瞬态过程具有相似特征的指数函数相加的形式，通过对模型参数的估计，由短时间采样数据推算整个信号波形，因而具有很高的频率分辨率，并可有效拓展有限空间声场的测量低频限。多路径建模技术将水听器(如麦克风)接收到的多路径信号表示为一系列指数函数的迭加，经变换后得到多路径信号的建模表达式，用最小平方误差估计后得到一系列指数函数的参数估计值，指数函数的第一个信号即对应着直达波信号。与Prony谱相同，多路径建模技术是一种现代谱估计算法，但这两种算法对于噪声都很敏感，信噪比较低时，参数的估计值与真实值之间存在较大误差；同时，Prony谱分析技术与多路径建模技术通常都用于处理单频信号，算法复杂、计算量较大，因而不具有较高的工作效率。CMWA算法通过发射换能器发射线性调频解析信号，经不同信道传播，由接收器接收包含直达波和界面发射波的声信号，再根据时间延迟谱的特性以及线性调频信号时间与频率之间的对应关系，设计一个平均滤波器，对声信号进行时域平均滤波处理，减小或消除了界面反射的影响。相较于其他方法，这种方法处理的是宽带信号，因而具有较高的工作效率，但它仅适用于发射信号是线性调频信号的情形。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于空间频域平滑技术的换能器转移阻抗校准装置，该装置结合了声场空间信息，对发射信号与接收信号进行综合处理，能够有效的减小或消除反射波的影响，具有算法简单、计算量小、可大幅提高换能器的测试效率以及适用于绝大多数类型的宽带信号等优点。

一种基于空间频域平滑技术的换能器转移阻抗校准装置，包括：

信号发射器，用于产生宽带脉冲信号(如chirp信号、高斯脉冲信号、宽带窄脉冲、sinc信号以及噪声信号)；

功率放大器，用于对宽带脉冲信号进行功率放大且具有阻抗匹配功能；

电流取样器，用于对功率放大后的宽带脉冲信号进行电流取样，生成相应的电信号E2；

换能器对，由声源和水听器组成；所述声源用于在水下发出宽带脉冲声信号，声信号经已知信道传播，最终到达水听器，所述水听器用于将接收到的声信号转换成电信号E1；

测量放大器，用于对电信号E1进行功率放大；