技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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
[0004] 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。
[0005] 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：
[0006] 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)；
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 测量放大器，用于对电信号E1进行功率放大；
[0011] 信号采集器，用于对电信号E2以及功率放大后的电信号E1进行AD采样；
[0012] 测量处理器，根据信号采集器采样得到的电信号E1和E2，以计算出自由场下换能器对的转移阻抗。
[0013] 进一步地，所述声源和水听器的工作带宽须超过宽带脉冲信号的带宽。
[0014] 进一步地，在声场布置时，需将声源与水听器放置在彼此的远场距离上，且水听器的接收信号信噪比须高于20dB。
[0015] 进一步地，所述测量处理器计算换能器对的自由场转移阻抗，具体实现方式如下：首先，对放大后的电信号E1进行希尔伯特变换，将变换后得到的结果乘以单位复数后与放大后的电信号E1相加，并对相加后的结果进行快速傅里叶变换；同样，对电信号E2进行希尔伯特变换，将变换后得到的结果乘以单位复数后与电信号E2相加，并对相加后的结果进行快速傅里叶变换；然后，使电信号E1对应的
频谱除以电信号E2对应的频谱，得到非自由场下换能器对的转移阻抗；最后，利用空间频域平滑滤波器对非自由场下换能器对的转移阻抗进行滤波处理得到自由场下换能器对的转移阻抗。
[0016] 进一步地，所述空间频域平滑滤波器的构造过程如下：首先，计算或测量不同声传播信道与直达波信道之间的时延差τi，i为自然数且1≤i≤N，N为声传播信道的数量；然后，对各时延差τi取倒数，得到对应的带宽Δfi，进而根据各带宽Δfi构造多个单位矩形窗函数且各窗函数的长度对应为Δfi；最后，将所有单位矩形窗函数进行卷积运算，最终得到空间频域平滑滤波函数，其带宽
[0017] 所述声传播信道需存在界面或边界反射，根据声程差计算不同声传播信道与直达波信道之间的时延差，或通过声源发射高频脉冲信号测量不同声传播信道与直达波信道之间的时延差。
[0018] 本发明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。
附图说明
[0019] 图1为第i个界面反射波与直达波的示意图。
[0020] 图2为空间频域平滑滤波技术的仿真效果图。
[0021] 图3为测量处理器的空间函数滤波法信号处理
框图。
[0022] 图4为本发明换能器转移阻抗校准装置的结构框图。
具体实施方式
[0023] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
[0024] 本发明基于空间频域平滑技术的换能器转移阻抗校准装置，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。由此，该校准装置主要包括信号发射器、
功率放大器、换能器对、测量放大器、信号采集器、电流取样器以及测量处理器。
[0025] 声传播信道需要存在界面或者边界反射，如图1所示，根据不同声信道的声程差计算反射波与直达波之间的时间延迟，或通过声源发射高频脉冲信号测量不同
声波之间的时延。
[0026] 空间域平滑滤波器的设计方法与步骤如下：第一步：计算或者直接测量不同信道与直达波信道之间的时延τi；第二步：将各个时延τi取倒数，得到不同的带宽Δfi，并根据Δfi构造单位矩形滤波器；第三步：将构造的单位矩形滤波器进行卷积运算，最终得到空间频域平滑滤波器。
[0027] 空间频域平滑滤波器的带宽为 测量有有效带宽为即发射信号的带宽须大于空间函数滤波器的带宽；其中，fL与fH表示发射信号的上、下限频率。
[0028] 信号发射器所产生的信号类型可为：chirp信号、高斯脉冲信号、宽带窄脉冲、sinc信号以及噪声信号，发射信号须为脉冲信号，产生的信号必须为脉冲信号；功率放大器用于发射信号的功率放大，且具有阻抗匹配功能；测量放大器用于对接收信号进行放大；电流取样器用于测量发射电流；换能器对由声源、水听器(或麦克风)组成，声源与水听器的工作频率须超过发射信号的带宽，在声场布置时，需将声源与声听器放置在彼此的远场距离上，且水听器的接收信号的信噪比要高于20dB；测量处理器则利用如下公式对换能器对的转移阻抗进行计算：
[0029]
[0030] 式中：z(f0)为自由场条件下换能器对的转移阻抗；FFT为快速傅里叶变换；为接收信号利用希尔伯特变化构造的解析表达式； 为电流信号利用希尔伯特变化构造的解析表达式；W(f)为空间频域平滑滤波器，经过滤波后的效果如图2所示，可见空间频域平滑技术起到了抑制反射波干扰的作用。
[0031] 如图4所示，本发明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1、功率放大器2、电流取样器3、换能器对4、测量放大器6、信号采集器7与测量处理器8，其中：信号发射器1输出端与功率放大器2的输入端连接，功率放大器2的输出端的正极穿过电流取样器3与换能器对4中的声源正极相连，功率放大器2的输出端的负极直接与换能器对4中的声源负极相连，而电流取样器3的
输出信号直接与信号采集器7的输入端相连接，换能器对4中的水听器与测量放大器6的输入端相连，测量放大器6的输出端与信号采集器7的输入端相连，信号采集器7的输出端与测量处理器8的输入端相连接。
[0032] 利用上述装置进行转移阻抗测量的流程为：信号发射器1产生宽带脉冲信号，信号经过功率放大器2放大后加载在换能器对4中声源的两端，利用电流取样器3获取发射电流信号，并由信号采集器7进行AD采样，获得数字电流信号I(t)；声源发出声波信号，声波经不同信道到达水听器处，水听器接收到的信号经过测量放大器6后，由信号采集器7进行AD采样，得到电压信号U放(t)；获取测量放大器6的放大倍数K，将U放(t)除以K即可得到水听器的输出信号Uout(t)。测量处理器8的信号处理流程如图3所示，其具体过程如下：
[0033] (1)对发射的电流信号I(t)与水听器接收信号Uout(t)进行希尔伯特变换：
[0034]
[0035]
[0036] 式中： 与 分别表示I(t)和Uout(t)的希尔伯特变换结果，hilbert()表示希尔伯特变换。
[0037] (2)利用信号及其希尔伯特变换构建解析信号：
[0038]
[0039]
[0040] 式中：j表示虚数单位， 和 分别为I(t)与Uout(t)的解析信号。
[0041] (3)对 与 进行傅里叶变换并相除，得到复转移阻抗Z(f)：
[0042]
[0043] (4)根据声场的空间信息计算或者不同信道与直达波信道之间的时延τi，再将各个时延τi取倒数，得到不同的带宽Δfi，并根据Δfi构造单位矩形滤波器；设计空间频域平滑滤波器，其表达式为：
[0044]
[0045] 式中：rect(Δfi)表示长度为Δfi的单位矩形窗， 表示卷积。
[0046] (5)对复转移阻抗进行平滑处理，得到自由场下的转移阻抗Z0(f)：
[0047]
[0048] 图2是频域平滑技术的仿真效果图，可见，在有效带宽内经频域平滑技术处理过的转移阻抗与自由场下的转移阻抗基本一致。因此，本发明校准装置可用于换能器转移阻抗校准，且能够有效地抑制反射波的影响，从而实现转移阻抗的自由场校准。
[0049] 上述对
实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种
修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
