多状态校核的加速度计和水听器相位差测量系统及方法

技术领域

本发明涉及船舶噪声测量和计量领域，具体涉及一种多状态校核的加速度计和水听器相位差测量系统及方法。

背景技术

噪声测量是船舶减振降噪领域的重要方向，是衡量降噪效果的直接手段：测量结果能反应噪声源的特征及分布，为船舶低噪声设计提供依据。噪声源的查找往往需要同步测量振动和水声，因此噪声源测量系统不仅需要测量幅值，还需要测量相位，才能反演和重构出噪声源的分布，也就是说需要同时获取振动加速度、水声声压的复数值。然而，船舶噪声源测量系统中，两类针对固体和液体的不同类型传感器存在初始相位差，需要提前测量出这加速度计和水听器两种不同类型传感器的相位差，用于校准和修正噪声源测量系统，才能避免因为初始相位差过大，造成噪声源测量结果的失效。

测量频段主要关注2kHz以下。由于船上大量机械和泵类设备的工作特点，使得船舶主要噪声大多在2kHz以下频段，噪声源的测量和校准也重点关注该低频段。现有专利中关注不同类型传感器之间的相位差测量和校准很少见，如CN101504459A、CN110702946A等均是针对同一类型传感器的校准；而且水听器和加速度计是分别对液体和固体两种介质中声和振动的测量，二者相位差校准的相关专利更为少见。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种多状态校核的加速度计和水听器相位差测量系统及方法，解决了加速度计和水听器相位一致性的问题，从而避免噪声源重构的失效，保障和提高了噪声源测量系统的准确性。

本发明采用的技术方案为：一种多状态校核的加速度计和水听器相位差测量系统，包括内置有液态水的校准腔、振动台、待测水听器、待测加速度计、标准加速度计、数据采集器、计算机、信号发生器、功率放大器和前置放大器；所述校准腔通过连接支架支撑在振动台上，振动台与功率放大器、信号发生器和计算机依次连接；所述待测水听器悬挂安装于校准腔的内上部，且完全淹没在水中；待测水听器与前置放大器、数据采集器依次相连；所述待测加速度计连接于校准腔的内底部，所述标准加速度计连接于校准腔的外底部，待测水听器、待测加速度计和标准加速度计的轴线均与校准腔的中轴线共线；所述待测加速度计和标准加速度计均与数据采集器相连，数据采集器分别与信号发生器和计算机相连。

按上述方案，所述待测水听器连接在吊杆的下端，吊杆的上端与悬臂支架相连；悬臂支架固定在稳固的地面或墙面上，不与振动台接触。

按上述方案，所述待测加速度计位于校准腔的内底部中心，采用水密电缆与之相连。

按上述方案，所述标准加速度计位于校准腔的外底部中心，与待测加速度计共轴线且反向安装。

按上述方案，所述待测水听器位于校准腔液柱内部的中轴线上。

本发明还提供了一种多状态校核的加速度计和水听器相位差测量方法，该方法为：

步骤一、提供如上所述多状态校核的加速度计和水听器相位差测量系统并安装；

步骤二、计算机控制振动台施加频段覆盖10Hz-2kHz的宽频白噪声信号，稳定后，采集待测水听器、待测加速度计和标准加速计的响应信号，将这三组响应信号两两做互谱，获取三组信号两两之间的相位差，绘制相应的相位差频响曲线；

步骤三、通过调整待测水听器在校准腔内的深度，重复步骤二，获得相应的相位差频响曲线；

步骤四、抽排校准腔内水量，来改变液柱的深度，重复步骤二，获得相应的相位差频响曲线；

步骤五、将获得的所有位差频响曲线对比校核，排除曲线中多次测量相位差不一致的频段，保留相位差一致的频段，该频段的相位差为待测水听器和待测加速度计的固有相位差。

按上述方案，在步骤一中，待测水听器的深度为液柱设计深度的1/4。

按上述方案，在步骤三中，改变待测水听器的深度，使待测水听器的深度为液柱设计深度的2/4和3/4，得到相位差频响曲线。

按上述方案，在步骤三中，水听器的深度位于液柱设计深度的3/4处时，通过抽排水来调整校准腔内液柱高度，使待测水听器的深度为液柱设计深度的3/4和2/4，再重复两次测量，得到待测水听器和待测加速度计的相位差频响曲线。

本发明的有益效果为：本发明为水听器和加速度计提供一体化的液体和固体环境，并提出采用多个不同高度的液柱，改变水听器深度，实施多状态校核；根据校核结果比对，剔除液柱系统模态带来的相位漂移，获取加速度计和水听器自身的初始相位差，从而实现噪声源测量系统中两种不同类型传感器的相位校准；本发明改善了振动液柱系统模态带来的影响，剔除产生奇异的频段，保障了测量系统的精度。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。

图2为本实施例中装有水的校准腔示意图。

图3为本实施例中液柱为设计深度、待测水听器深度为液柱设计深度的3/4这一状态下相位差频响曲线。

图4为本实施例中液柱为设计深度的3/4、待测水听器深度为液柱设计深度的3/4这一状态下相位差频响曲线。

图5为本实施例中液柱为设计深度的2/4、待测水听器深度为液柱设计深度的3/4这一状态下相位频响曲线。

其中：1、校准腔；2、水听器；3、液态水；4、加速度计；5、计算机；6、多通道数据采集器；7、信号发生器；8、功率放大器；9、前置放大器；10、悬臂支架；11、标准加速度计；12、连接支架；13、振动台。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1所示的一种多状态校核的加速度计和水听器相位差测量系统，包括内置有液态水3的校准腔、振动台、待测水听器、待测加速度计、标准加速度计、数据采集器、计算机、信号发生器、功率放大器和前置放大器；所述校准腔通过连接支架支撑在振动台上，振动台与功率放大器、信号发生器和计算机依次连接；所述待测水听器悬挂安装于校准腔的内上部，且完全淹没在水中；待测水听器与前置放大器、数据采集器依次相连；所述待测加速度计连接于校准腔的内底部，所述标准加速度计连接于校准腔的外底部，待测水听器、待测加速度计和标准加速度计的轴线均与校准腔的中轴线共线；所述待测加速度计和标准加速度计均与数据采集器相连，数据采集器分别与信号发生器和计算机相连。

优选地，所述待测水听器位于校准腔内液柱的中轴线上，待测水听器在液柱内的深度及时可调。

优选地，所述待测水听器连接在吊杆的下端，吊杆的上端与悬臂支架相连；悬臂支架固定在稳固的地面或墙面上，不与振动台接触(具体地，悬臂支架不与直接或间接接触)。

优选地，所述待测加速度计位于校准腔的内底部中心，采用水密电缆与之相连。

优选地，所述标准加速度计位于校准腔的外底部中心，与待测加速度计共轴线且反向安装。

优选地，如图2所示，所述校准腔为金属圆柱腔。

本发明中的多状态校核的加速度计和水听器相位差测量系统，相当于一种相位参数的连接系统，用于连接加速度计和水听器这两种分别针对固态介质和液态介质的传感器。校准腔通过连接支架置于振动台上，振动台由信号发生器和功率放大器提供输入和驱动，计算机通过信号发生器和功率放大器向振动台发送振动信号，控制振动台振动。加速度计固定在校准腔的内底部。校准腔的外底部安装标准加速度计，标准加速度计及待测的加速度计的信号直接通过数据采集器采集，所述采集器为多通道采集器采集。待测水听器的信号经过前置放大器放大后，再由数据采集器采集。信号的接收与发送由计算机控制。

一种多状态校核的加速度计和水听器相位差测量方法，该方法为：

步骤一、提供如上所述多状态校核的加速度计和水听器相位差测量系统并安装。

校准腔的底部采用连接支架与振动台刚性连接。将待测水听器悬挂于校准腔内的水中，待测水听器位于校准腔的轴线上，待测水听器的顶部与水面的距离为待测水听器的深度，待测水听器的深度为液柱设计深度的1/4，待测加速度计固定于校准腔的内底部中心，所述标准加速度计设于校准腔的外底部中心。

步骤二、计算机控制振动台施加频段覆盖10Hz-2kHz的宽频白噪声信号，稳定后，采集待测水听器、待测加速度计和标准加速计的响应信号，将这三组响应信号两两做互谱，获取三组信号两两之间的相位差，绘制相应的相位差频响曲线。

本发明中，将两种相应信号做互谱获得相位差并绘制相位差频响曲线为现有技术，这里不再赘述。

步骤三、通过调整待测水听器在校准腔内的深度，重复步骤二，获得相应的相位差频响曲线。

具体地，本实施例中，按照图2箭头所示方向，改变待测水听器的深度，使待测水听器的深度为液柱设计深度的2/4和3/4，重复上述测量两次，再次得到相位差频响曲线。

步骤四、确定待测水听器在校准腔内的高度，抽排校准腔内水量，改变液柱的深度，重复步骤二，获得相应的相位差频响曲线。

本实施例中，水听器的深度位于液柱设计深度的3/4处时，按照图2中箭头改变校准腔内液柱的高度，使待测水听器的深度为液柱设计深度的3/4和2/4；更具体地，通过抽排水来调整校准腔内液柱高度，使液柱深度为液柱设计深度的3/4和2/4，再重复两次测量，得到待测水听器和待测加速度计的相位差频响曲线。

步骤五、将获得的所有位差频响曲线对比校核，排除曲线中多次测量相位差不一致的频段，保留相位差一致的频段，该频段的相位差即为待测水听器和待测加速度计的固有相位差。

本实施例中，图3为液柱为设计深度、待测水听器深度为液柱设计深度的3/4这一状态下相位差频响曲线；图4为液柱为设计深度的3/4、待测水听器深度为液柱设计深度的3/4这一状态下相位差频响曲线；图5为液柱为设计深度的2/4、待测水听器深度为液柱设计深度的3/4这一状态下相位频响曲线。各图中最上方的S1曲线为标准加速度计与待测水听器的相位差，最下方的S2曲线为标准加速度计和待测加速度计的相位差，可用于S3曲线的校核参考，S3曲线为待测水听器与待测加速度计的相位差频响曲线。通过对比可以明显看到，在800Hz、1kHz附近出现了奇异峰，部分单频也有小峰值，这些峰值的位置和形态随着水位变化而改变，是液柱模态带来的，不属于加速度与水听器的固有相位差，应该剔除；而50Hz以下低频段的相位差不变，是固有相位差，经校准后可用于修正噪声源测量系统。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。