海测论坛▏浅水多波束换能器声学性能检测方法研究
一、引言
利用浅水多波束测深系统可对近海的港口、航道以及岛礁等重要浅水区域的海底地形进行高效率、高精度的测量，获得的水深图可保障水面船只和水下潜器的航行安全。受制于浅水多波束测深系统技术限制，以前引进的设备只能对其系统性能指标进行检测，未能关注系统换能器声学指标是否满足要求。当设备验收性能无法达到标称指标时，由于对设备原理等技术方面的欠缺，无法准确定位问题原因，导致设备使用性能大大降低。随着浅水多波束测深系统在国内技术的逐步成熟，具有自主知识产权的国产多波束公司和型号增多，为检验多波束性能，建立合理统一的检测方法，不但在仪器设备生产阶段，还是在平时标定检定过程中，都具有重大的研究与应用价值。
浅水多波束测深系统的主要核心性能指标包括：测深范围、工作频率、分辨率、波束宽度和波束开角等，而系统声学换能器的声源级、波束角、波束开角等声学指标是影响多波束测深系统核心性能的重要声学参数，因此对换能器声学指标的检测能够有效预估多波束测深系统性能高低。国内学者前期开展了水听器和单波束测深仪等设备声学指标检测技术方法研究，但是对多波束换能器声学指标检测方法还偏少。
通过选择适合的测试环境，设计标准的检定测试方法，不但能够为实施浅水多波束测深系统性能检测奠定基础，还可以为制定国家和行业多波束换能器声学性能检测标准提供依据。因此，开展浅水多波束测深系统换能器声学指标检测方法研究和检测方案制定，是本文要解决的问题。
二、检测方案设计
换能器的检测方法可分为绝对校准法(一级校准)和相对校准法(二级校准)。通过建立相应的声场，利用电声互易原理测量发射响应和接收灵敏度等参数，称之为绝对校准法，最为典型的是互易法；利用已知标准换能器对未知换能器进行校准的方法是相对校准方法，需要依赖标准换能器为参考基准，典型的是比较法。互易法适用于校准标准水听器和标准声源，而比较法适用于标准测量水听器和水声换能器，并且其测量程序简单、结果可靠且精确，频率覆盖范围是几百赫兹到几兆赫兹。浅水多波束测深系统的换能器属水声换能器且其频率一般为200～400KHz，因此根据多波束换能器自身性质和工作频率，其声学指标检测选择比较法。
声学性能指标计量检测通常需要在自由场或远场条件中进行，以避免因边界反射所产生的反射波和直达波的叠加而影响测试精度。一般可供选择的试验场地可分为海上试验场、平静的天然湖泊或水库以及室内人造水池等三类。在户外大型天然水域的外场条件下，由于仪表状态和环境噪声等干扰会给测试结果带来误差，因此在国家级计量站的消声水池中进行试验是换能器声学性能指标检测的首选方案。
水池作为自由场，其远场条件要求检测时两个换能器声中心间的距离足够大，使水听器处于发射器的远场中。同时，从水听器来看，所接收到的声波应相当于平面波，即由水听器截取到的声波的一部分波阵面近似为一平面。在有限水域(水池)中进行自由场校准时，经常使用脉冲声技术的测试方法，此方法可以将由边界造成的声反射对声场影响，从时间上分离开来而获得自由场条件。水池实验换能器和测试设备的放置位置见图1。
图1 换能器和测试设备的放置位置示意图
多波束换能器属线列换能器，其校准距离应满足下式：
式中，d为换能器和水听器之间的距离，单位是m；a1、a2分别为换能器和水听器最大孔径，单位是m；λ为换能器脉冲宽度，单位是s。
为了削弱水池界面的反射等影响，达到相当于连续信号测试的效果，在用脉冲声技术测试时，对换能器和水听器的放置还要满足距离条件。在非消声水池检测时，为了避免来自边界的声反射影响，使直达波和反射波分开，λ应满足如下条件：
式中，c为声波在水中传播的速度，单位是m/s；L、B、H分别为水池的长、宽、深，单位是m。
声学指标测试设备主要包括精密的机械回转装置(伺服系统)、标准换能器和测量仪器。被测换能器安装在机械回转装置旋转轴上，使换能器的有效声中心位于旋转轴上，为减小记录器的滞后效应及换能器的抖动引起的附加误差，旋转轴的旋转速度不能太快，在波束宽度内或其他起伏急剧的扇面内，测点应该加密；其他方位的测点可以稀疏一些。
标准换能器包括标准声源和标准水听器。标准声源要求能够在多波束测深系统工作频段发出足够的声源级，使声学测量具有足够的信噪比，并具有很好的线性和稳定性。标准水听器要求稳定性好和线性范围宽，而且在接收频段内的灵敏度曲线平坦，并建议采用无指向性水听器。
换能器声学指标参数有些是可以直接测量得到的，包括发射换能器的输入电压、电流和两者之间相位差；接收水听器的开路电压、信号源的工作频率等。根据测试参数不同，基本测量仪器包括：信号源、功率放大器、测量放大器、滤波器、电压表和示波器等。
⑴声源级检测和计算
声源级是发射换能器辐射声功率的大小，间接反映了系统的作用距离。实际测量时，将发射换能器安装至水槽试验车旋转支架上，调节旋转支架使换能器进入水中，入水深度不小于3m，并使发射换能器阵(模块)发射扇面与水面垂直；将标准水听器安装至另一支架上并放入水中，并使标准水听器位于换能器声轴线上(即处于同一水深)，布放几何示意图见图1，如在非消声水槽，布放距离尺寸应满足式⑶～⑸要求；使发射换能器与标准水听器工作，进行发射换能器声源级测量。
声源级的计算公式为：
SL＝20lgU∞＋20lgd－M＋120 ⑹
式中，SL为发射换能器声源级，单位为dB；U∞为标准水听器输出的开路电压值，单位为dB(基准值1V)；M为标准水听器灵敏度的绝对值，单位为dB；d为水听器到发射模块相位中心的距离，单位为m(基准值1μV/μPa)。
⑵工作频率检测
实际测量时，发射换能器与标准水听器的布放位置与声源级测量时布放方式和要求一致。利用发射换能器发射指定形式与宽度的脉冲信号，由标准水听器接收信号，通过示波器观察信号波形与脉冲宽度是否与预设一致。
⑶波束角检测和计算
波束角表征了多波束换能器波束最小分辨率，一般取从主轴的最大响应下降3dB(或6dB、10dB)时的左右两个方向间的角度，为2θ－3dB(或2θ－6dB、2θ－10dB)，一般通过测量换能器指向性参数得到。指向性是换能器的发送响应或自由场灵敏度随发送或入射声波方向变化的特性，通常用指向性图表示，一般采用极坐标图，对于指向性换能器，最好用直角坐标图表示。实际测量时，发射换能器与标准水听器和接收换能器与标准声源的布放位置与声源级测量时布放位置和要求一致。测量发射波束角时，使发射换能器发射工作频率脉冲信号，按同一方向缓慢旋转发射换能器；测量接收波束角时，使标准发射换能器发射工作频率脉冲信号，按同一方向缓慢旋转接收换能器。测试各个方向上发射或接收信号幅度，获得发射和接收换能器指向性图。
⑷波束开角检测和计算
波束开角对应换能器扇区开角，表征了系统测量时的扇区覆盖能力。实际测量时，发射换能器与标准水听器的布放位置与声源级测量时布放位置和要求一致。波束宽度取从主轴的最大响应下降3dB时的左右两个方向间的角度，为2θ－3dB。由于多波束测深系统工作的特殊性和中央波束的能量并不是最大值等原因，建议波束宽度取2θ－6dB。
⑸测量不确定度
影响测量不确定度的因素包括严格的自由场条件不满足、有效声中心与旋转轴偏离、记录器的分辨率和滞后效应等。换能器在方向上的定位精度取决于回转设备角分辨率，回转设备如有回差，还应单向旋转设备。对于高指向性的换能器，在主波束内测量，应测3次以上取平均值。
三、试验与分析
利用上述方法，在中科院声学所唐家岭消声水池，对国内某型浅水多波束测深系统换能器的主要声学指标进行了检测。本次检测主要设备有：①浅水多波束测深系统。标称指标：工作频率200～400KHz；波束宽度优于1.5°(Rx)×1.5°(Tx)；最大波束开角140°；声源级不低于220dB。②TC4035标准水听器。标称指标：可用频率10Hz～800KHz，接收灵敏度-214dB(re 1V/UPa)，内置前置放大器(经一级计量站标定)。试验时，消声水池水温14°。
在开始声学指标测量前，为了检验换能器布放的正确性，首先要用测量传播损失的办法检验一下声场，找准声轴，确定发射换能器等效中心，以避免由于测试环境不满足条件，导致结果错误。
按照检测要求，发射换能器和标准水听器布放距离应满足公式⑴～⑵要求。浅水多波束发射阵最大孔径256mm，对于400KHz信号，R＞17.8m；对于200KHz信号，R＞8.9m。因此，测试200～400KHz发射声源级，R应大于17.8m，实际测量时两者间距18m。使发射换能器工作在不同频率，测量标准水听器开路电压，利用式⑹计算发射换能器声源级。以10KHz为步长，不同频率下的声源级见图2。
图2 发射换能器工作频率与声源级关系示意图
从关系图不难看出，不同频率下的声源级均高于220dB，满足系统标称指标要求。
⒉波束开角检测
发射换能器与标准水听器布放示意图见图1，换能器与水面垂直，以0°方向为基准，缓慢水平旋转发射换能器，测试各个方向上接收信号幅度，获得发射换能器模块的指向性图。不同频率下的波束开角见图3。
图3 不同频率下的波束开角示意图
通过水池试验，主轴响应下降6dB时获取的3个频段声轴和指定声压级之间的左右夹角以及波束开角一致，其中左夹角为80°，右夹角为80°，得到波束开角为160°。换能器在3个频段下的波束开角均大于140°，满足换能器标称指标要求。
发射换能器与标准水听器布放示意图见图1，换能器与水面水平，以0°方向为基准，缓慢水平旋转发射换能器，测试各个方向上接收信号幅度，获得发射换能器模块的指向性图。不同频率下发射波束角见图4。
图4 不同频率下直角坐标发射指向性示意图
取主轴响应下降3dB时波束宽度2θ－3dB，当工作频率为200KHz时，左夹角为0.5°，右夹角为0.7°，发射波束角为1.2°；当工作频率为400KHz时，左夹角为0.3°，右夹角为0.3°，发射波束角为0.6°。不同频率下的发射波束角均满足换能器标称指标要求。
标准发射换能器发射工作频率脉冲信号，按同一方向缓慢旋转接收换能器(模块)，测试各个方向上接收信号幅度，获得接收换能器阵(模块)指向性图。不同频率下接收波束角见图5。
图5 不同频率下直角坐标接收指向性示意图
取主轴响应下降3dB时波束宽度2θ－3dB，当工作频率为200KHz时，左夹角为0.5°，右夹角为0.6°，接收波束角为1.1°；当工作频率为400KHz时，左夹角为0.25°，右夹角为0.3°，接收波束角为0.55°。不同频率下的接收波束角均满足换能器标称指标要求。
四、结束语
本文针对国产化浅水多波束测深系统性能指标检测需求，分析了多波束系统指标与换能器声学指标的关系，根据声学换能器检测方法，开展了浅水多波束换能器声学指标检测方法研究和检测方案制定，并通过试验，验证了检测方法的可行性，能够满足国产浅水多波束水池试验要求。本文仅对浅水多波束测深系统换能器声源级、波束角、波束开角等声学指标检测方法进行了研究，下一步将开展其他指标的检测方法研究，进一步完善换能器水池试验方案，使用户和生产单位在水池试验阶段即可对换能器声学性能指标进行检测，初步掌握系统的性能，降低湖试或海试失败的风险。
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END
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【作者简介】文/张博 范龙 孙磊 周家新，均来自海军研究院。第一作者张博，男，1982出生，黑龙江牡丹江人，工程师，硕士，主要从事水声工程技术研究。本文为基金项目，国家自然科学基金(41706111、41804011)。文章来自《海洋测绘》（2020年第2期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑整理。
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