CN104793056B - 一种测量水声压电换能器在非消声水池中平均辐射阻抗的方法 - Google Patents
一种测量水声压电换能器在非消声水池中平均辐射阻抗的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种测量水声压电换能器在非消声水池中平均辐射阻抗的方法。测量水声压电换能器在空气中的电导纳、在消声水池中的电导纳和在待测非消声水池中N个测量位置处的电导纳；确定水声压电换能器的内阻、内容和静态导纳；确定该换能器的机械阻抗；确定该换能器在待测非消声水池中N个测量位置处的动态阻抗；根据机械阻抗和动态阻抗，确定该换能器在待测非消声水池中平均辐射阻抗。本发明能够通过电导纳的测量间接测量水声压电换能器在非消声水池中的平均辐射阻抗，测量设备仅需要阻抗分析仪，测量方法简单快捷，测试成本低，具有极大的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及声源辐射阻抗的测量方法，尤其涉及一种测量水声压电换能器在非消声水池中平均辐射阻抗的方法。
背景技术
非消声水池相对消声水池及外场测试具有重复性好、测量条件容易满足、测试快捷成本低等优势，加之混响法研究的进展，推动了非消声水池的广泛应用。非消声水池的主要应用场合有：换能器校准、声源辐射声功率测量、材料大样声吸收测试、流噪声测试等。不同的非消声水池与自由场间的声场关系不同，在应用非消声水池时，需要预先通过已知声源对非消声水池声场进行自由场校正，便于对非消声水池中的测试结果分析和评价。当声源在非消声水池中发射时，声源的辐射阻抗会受到声场边界的影响而发生改变，这将直接影响非消声水池声场的变化。因此，测量已知声源在非消声水池中的平均辐射阻抗是对非消声水池声场进行自由场校正的有效途径之一，并对深入研究非规则形状、复杂边界条件的非消声水池的声场特性具有实际意义。
压电发射换能器是水声中一种常用的声源，其辐射阻抗一般都是在消声水池或是自由场环境测量的，由于非消声水池中声场特性复杂、对非消声水池的应用正处于研究拓展阶段，因此在非消声水池中关于换能器辐射阻抗测试的相关报道很少见。专利号201210535235.1提供的在非消声水池中测量压电换能器阵互辐射阻抗的方法，需要在空气中和非消声水池中分别测量出换能器的谐振频率，而某些水声用压电换能器可能通过特殊设计或工艺增加发射增益，在消声水池中测量到的导纳曲线比较规则，但是在空气中测得的导纳曲线会有多个共振峰值，无法确定谐振频率；换能器在小尺度非消声水池中发射时由于声场边界的干涉影响，会使换能器辐射阻抗发生剧烈变化，测得的导纳曲线起伏加大而分不清共振峰值，也无法确定谐振频率。在消声水池中测量压电换能器辐射阻抗的传统方法在非消声水池中已不再适用，目前尚未见仅使用阻抗分析仪快捷测量非消声水池中压电换能器平均辐射阻抗的方法报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作方便、精度高的，一种测量水声压电换能器在非消声水池中平均辐射阻抗的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种测量水声压电换能器在非消声水池中平均辐射阻抗的方法，包括以下步骤，
步骤一：测量水声压电换能器在空气中的电导纳；
步骤二：测量水声压电换能器在消声水池中的电导纳；
步骤三：测量水声压电换能器在待测非消声水池中N个测量位置处的电导纳；
步骤四：根据水声压电换能器在空气中的电导纳和在消声水池中的电导纳分别绘出导纳曲线图，根据导纳曲线图确定水声压电换能器的内阻和内容，并进一步确定该水声压电换能器在各测试频率的静态导纳Y0：
其中，R0为水声压电换能器内阻，C0为水声压电换能器内容，2πf为测试圆频率；
步骤五：根据静态导纳Y0和水声压电换能器在空气中的电导纳，确定该换能器的机械阻抗Rm：
其中，Ya为水声压电换能器在空气中的电导纳；
步骤六：根据静态导纳Y0和水声压电换能器在待测非消声水池中N个测量位置处的电导纳，确定该换能器在待测非消声水池中N个测量位置处的动态阻抗；
步骤七：根据机械阻抗和动态阻抗，确定该换能器在待测非消声水池中平均辐射阻抗。
一种测量水声压电换能器在非消声水池中平均辐射阻抗的方法，还可以包括：
1、水声压电换能器在待测非消声水池中N个位置的选取方法为：根据非消声水池不同方向的简正频率，至少在各阶简正波的两个零点间选择一个测量位置，并且测量位置距离池壁和水面的距离大于测量最低频率的半波长。
2、水声压电换能器在非消声水池中第i个测量位置处的动态阻抗为：
其中，为在非消声水池中第i个测量位置处的电导纳。
3、水声压电换能器在待测非消声水池中平均辐射阻抗为：
其中，为各测量位置处动态阻抗的平均值。
有益效果：
本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明提供的方法快捷高效，仅需要使用阻抗分析仪进行测量，测试条件容易满足；采用了由空气中和消声水池中的导纳曲线联合确定换能器静态导纳的方法，普遍适用于各种水声压电换能器，测量不确定度低。本发明能够通过电导纳的测量间接测量水声压电换能器在非消声水池中的平均辐射阻抗，测量设备仅需要阻抗分析仪，测量方法简单快捷，测试成本低，具有极大的实用价值。
附图说明
图1本发明提供的测量压电换能器在非消声水池中平均辐射阻抗的方法流程图；
图2换能器在空气中测得的导纳曲线；
图3换能器在消声水池中测得的导纳曲线；
图4压电换能器在非消声水池中的平均辐射阻抗测量系统示意图；
图5压电换能器在非消声水池中的平均辐射阻抗测量系统示意图A-A剖面；
图6换能器在玻璃水槽中A位置测得的导纳曲线；
图7换能器在玻璃水槽与在消声水池中的平均辐射阻曲线；
图8换能器在玻璃水槽与在消声水池中的平均辐射抗曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明所述的测量水声压电换能器在非消声水池中的平均辐射阻抗的快捷方法，该方法包括以下步骤，如图1示：
(1)在空气中测量换能器的电导纳。将待测换能器悬空静止置于开阔的空间中，测量过程中不能触碰换能器的辐射面；阻抗分析仪调至电压驱动档，并记录电压幅值；根据测量的频率要求设置阻抗分析仪测试的起止频率，选择合适的测试速度，调整阻抗分析仪频率测试间隔，并记录相应设置；将待测换能器的正负极导线与阻抗分析仪对应的外接线缆接口连接紧固；测量换能器的电导纳，并将数据存储起来；调用存储数据绘出换能器在空气中的导纳曲线图。
(2)在消声水池中测量换能器的电导纳。将步骤(1)中的换能器静止置于消声水池中，且换能器辐射面距池壁和水面的距离大于测试最低频率对应的波长；阻抗分析仪的各档位状态、测量的频率间隔以及与换能器的连接方式等与步骤(1)所述的阻抗分析仪状态相同；测量换能器的电导纳，并将数据存储起来；调用存储数据绘出换能器在消声水池中的导纳曲线图。
(3)在非消声水池中测量电换能器在若干位置处的电导纳。首先确定在非消声水池中的测量区域，如果非消声水池不是对称规则形状的，则需要全空间测量，如果非消声水池是类似矩形等对称规则形状的，测量区域可选择在1/4水池空间；然后确定具体的测量位置，根据非消声水池不同方向的简正频率，至少在各阶简正波的两个零点间选择一个测量位置，并且测量位置距离池壁和水面应大于测量最低频率的半波长；将步骤(1)中的换能器静止置于非消声水池中预先确定的测量位置；阻抗分析仪的各档位状态、测量的频率间隔以及与换能器的连接方式等与步骤(1)所述的阻抗分析仪状态相同；测量换能器在各测量位置处的电导纳，并将数据存储起来。
(4)确定换能器的内阻、内容及静态导纳。根据步骤(1)和步骤(2)绘出的导纳曲线联合确定换能器的内阻和内容，即若水声换能器是按照多级共振叠加原理方式工作使空气中的导纳曲线有多个共振峰出现而无法分析，在确定换能器内阻和内容时应选择换能器在消声水池中的导纳曲线；若换能器在空气中的导纳曲线很规则，则应分别根据空气中和消声水池中的导纳曲线确定换能器的内阻和内容并求均值。
确定换能器的内阻、内容以及静态导纳的具体方法为：电导最小值取倒数近似为该换能器的内阻，电导曲线与电纳曲线交汇处电纳值除以对应圆频率为该换能器的内容，再由内阻、内容值和测量频率确定换能器的静态导纳值，即
其中Y0为换能器静态导纳，R0为换能器内阻，C0为换能器内容，2πf为测试圆频率。
(5)确定换能器的机械阻抗。压电换能器中的静态阻抗和动态阻抗满足并联关系，阻抗分析仪测量到的电导纳是换能器静态导纳和动态导纳之和，压电换能器在空气中发射时若忽略辐射阻抗，则此时抗分析仪测量到的电导纳是换能器静态导纳和机械导纳之和，即
Ya＝Y0+Ym
其中，Ya为在空气中使用阻抗分析测得的电导纳，Y0为由步骤(4)确定的换能器静态导纳，Ym为换能器的机械导纳。因此换能器的机械阻抗Rm可以由下式获得
(6)确定换能器在非消声水池中不同测量位置处动态阻抗。换能器在非消声水池中发射时辐射阻抗阻受声场边界干涉影响剧烈，导致不同测量位置处的动态阻抗起伏较大，并且根据如下关系确定各测量位置处的动态阻抗
其中，为在非消声水池中第i个测量位置处的动态阻抗，为在非消声水池中第i个测量位置处使用阻抗分析测得的电导纳，Y0为由步骤(4)确定的换能器静态导纳。
(7)确定换能器在非消声水池中平均辐射阻抗。步骤(6)确定的测量位置处的动态阻抗是该测量位置处机械阻抗与辐射阻抗之和，忽略介质环境对换能器机械阻抗的影响，则根据如下关系确定换能器在非消声水池中的平均辐射阻抗
其中，为由步骤(6)确定的各测量位置处动态阻抗的平均值，Rm由步骤(5)确定的换能器机械阻抗。
下面以测量球形压电换能器在矩形玻璃水槽中的平均辐射阻抗为例，对本发明做详细说明。
矩形水槽上端开口，置于空气中，并将其与地面腾空。玻璃水槽长、宽、深分别为1.52m、0.95m、0.58m，水槽的下限频率为8kHz，预采用阻抗分析仪WKE-WK6500B测量球形换能器EDO 6829-24k在此水槽中的平均辐射阻抗。
首先在空气中和哈尔滨工程大学水声技术重点实验室消声水池中分别测量待测换能器的电导纳，其中球形换能器EDO 6829-24k在空气中测得的导纳曲线如图2所示，在消声水池中测得的导纳曲线如图3所示。
进而确定该换能器的内阻、内容及静态导纳。由图2可以看出，在空气中该水声压电换能器的谐振频率附近导纳曲线有多个峰值，无法确定在空气中的谐振频率及其对应电纳值，但是低频处的电导曲线很平坦，可以用来估算该换能器的内阻；而由图3可以看出，在消声水池中该水声压电换能器的导纳曲线很规则，可以很准确地确定谐振频率及其对应电纳值，因此图3可以用来估算该换能器的内阻和内容；因此按照本发明提供的确定换能器内阻和内容的方法，内阻由空气中和消声水池中测得的电导曲线分别求出并取均值确定，内容由消声水池中测得的导纳曲线确定，最终该压电换能器静态导纳的频率表达式为：
Y0＝9×10-7+i·2πf·3×10-7
进一步测量该球形换能器在玻璃水槽中的导纳，测试系统如图4所示，测量系统对应的A-A剖面如图5所示，其中阻抗分析仪的驱动电压设置为1V，起始测量频率设置为1780Hz，截止测量频率设置为28kHz，频率间隔12.99Hz。根据本发明提供的方法和计算出该水槽的各阶简正频率，低频要求测点较少，随着频率增高测点需增多，当频率超过水槽的下限频率，声场声能密度分布将变得均匀，因此按照不大于该下限频率对应的半波长(0.1m)作为测点间隔，将满足所有测试频率的要求，结和测点远离声场界面要求，最终采用的测点具体分布为：长度和宽度方向间隔0.1m，深度方向间隔0.09m，如图5所示。在确定的测点位置依次测量换能器的电导纳，给出其中一个测点A(A点位置在玻璃水槽中对应的长、宽、深分别为0.3m、0.75m、0.19m)的导纳曲线如图6所示。
结合已确定的换能器静态导纳、空气中的电导纳和在玻璃水槽中测得的各测点位置处导纳值，利用本发明提供的方法，依次确定换能器的机械阻抗、玻璃水槽中各测点位置处动态阻抗，最终确定该压电换能器在玻璃水槽中的平均辐射阻抗，如图7和图8所示。
结果分析：换能器在非消声水池中发射，其辐射阻抗受到声场边界影响剧烈，进而使导纳曲线起伏很大。换能器在非消声水池中的平均辐射阻抗和在消声水池中辐射阻抗的差异，反映了非消声水池与自由场声场特性区别。采用本发明提供的测量水声压电换能器在非消声水池中平均辐射阻抗的方法，物理意义明确，实验条件容易满足，测量操作快捷高效，测试结果不确定度小，因此采用本发明提供的方法测量水声压电换能器在非消声水池中的平均辐射阻抗是可信的。
Claims (4)
1.一种测量水声压电换能器在非消声水池中平均辐射阻抗的方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一：测量水声压电换能器在空气中的电导纳；
步骤二：测量水声压电换能器在消声水池中的电导纳；
步骤三：测量水声压电换能器在待测非消声水池中N个测量位置处的电导纳；
步骤四：根据水声压电换能器在空气中的电导纳和在消声水池中的电导纳分别绘出导纳曲线图，根据导纳曲线图确定水声压电换能器的内阻和内容，并进一步确定该水声压电换能器在各测试频率的静态导纳Y0：
<mrow>
<msub>
<mi>Y</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mn>0</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
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<mn>2</mn>
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<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>C</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
其中，R0为水声压电换能器内阻，C0为水声压电换能器内容，2πf为测试圆频率；
步骤五：根据静态导纳Y0和水声压电换能器在空气中的电导纳，确定该换能器的机械阻抗Rm：
<mrow>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<msub>
<mi>Y</mi>
<mi>a</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>Y</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，Ya为水声压电换能器在空气中的电导纳；
步骤六：根据静态导纳Y0和水声压电换能器在待测非消声水池中N个测量位置处的电导纳，确定该换能器在待测非消声水池中N个测量位置处的动态阻抗；
步骤七：根据机械阻抗和动态阻抗，确定该换能器在待测非消声水池中平均辐射阻抗。
2.根据权利要求1所述的一种测量水声压电换能器在非消声水池中平均辐射阻抗的方法，其特征在于：所述的水声压电换能器在待测非消声水池中N个位置的选取方法为：根据非消声水池不同方向的简正频率，至少在各阶简正波的两个零点间选择一个测量位置，并且测量位置距离池壁和水面的距离大于测量最低频率的半波长。
3.根据权利要求1所述的一种测量水声压电换能器在非消声水池中平均辐射阻抗的方法，其特征在于：所述的水声压电换能器在非消声水池中第i个测量位置处的动态阻抗为：
<mrow>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mi>d</mi>
<mi>i</mi>
</msubsup>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<msubsup>
<mi>Y</mi>
<mi>revb</mi>
<mi>i</mi>
</msubsup>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>Y</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，为在非消声水池中第i个测量位置处的电导纳。
4.根据权利要求1所述的一种测量水声压电换能器在非消声水池中平均辐射阻抗的方法，其特征在于：所述的水声压电换能器在待测非消声水池中平均辐射阻抗为：
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>R</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
<mi>rad</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msubsup>
<mover>
<mi>R</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
<mi>d</mi>
<mi>i</mi>
</msubsup>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
</mrow>
其中，为各测量位置处动态阻抗的平均值。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171031 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |