换能器测试系统
高频换能器及基阵测试系统
  该系统用来完成高频换能器单元指向性测试、发射响应、接收响应、导纳曲线等性能指标测试,以及基阵指向性、接收响应、发射响应等性能指标测试。同时对换能器性能及其基阵阵性能进行测量评估、考核,检验换能器设计、制备工艺的正确性。
系统主要技术指标
  主要测量参数:换能器阻抗(导纳)、接收灵敏度、发送电压响应、指向性;
  测量频率范围:100 kHz ~ 1 MHz;
  测量不确定度:各参数的测量不确定度符合《GB/T7965-2002 声学 水声换能器测量》的规定。
系统组成及功能实现
  1 系统组成

图1 高频换能器及基阵测试系统的组成框图
  高频换能器及基阵测试系统组成框图如图3所示。整个测试系统由控制处理分系统、发射分系统、接收分系统和高频回转机构等四部分构成。
  控制处理分系统由计算机、IEEE-488接口设备构成。计算机通过IEEE-488接口控制高频信号源输出脉冲信号,脉冲长度和宽度可程控;控制电子开关选通被测换能器或标准水听器接收声信号;控制前置放大器根据接收信号的大小设定放大量程;控制高频滤波器设定滤波模式、通带频率范围;控制数字采样器采集发射电流、发射电压或接收声信号;采集信号送计算机处理、计算得到结果,并控制打印机输出测量数据。
  发射分系统由高频信号源、高频功放、取样器和发射换能器构成。高频信号源根据指令输出正弦脉冲信号,由高频功放放大后,推动发射换能器向水中发射信号;取样器获取发射换能器的电压信号和电流信号,输入到数字采样器进行分析处理。
  接收分系统由电子开关、前置放大器、高频滤波器、数字采集器、被测换能器或标准水听器组成。电子开关根据指令选通被测信号,前置放大器、高频滤波器对信号进行放大、滤波,数字采集器对发射电压、发射电流和接收声信号采样,进行FFT运算,得出幅度和相位信息,用于对各参数的计算。
  高频回转机构是高频声基阵测量的一个关键设备,由控制仪、升降回转机构、测量夹具等配件构成。要求具有多维可程控、定位精度高、启动本机噪声小、测量电干扰小等特点,计算机能通过GP-IB接口控制控制仪,控制仪控制回转机构,发射换能器、被测换能器和标准水听器均装在回转机构上,通过指令的调节和定位,准确到达声场中指定测量位置。
  2 功能实现
  高频换能器及基阵各参数的性能检测都可以通过图3里的仪表设备测量实现。
  (1)阻抗测量
  小信号情况下的阻抗测量可直接把换能器两端接入阻抗分析仪,由阻抗分析仪内部的测试源输出信号,同时它的网络接收处理系统检测加在换能器两端的电压和流经换能器的电流,实时检测换能器的阻抗或导纳。
  若需要了解换能器大信号情况下的阻抗或导纳,则不再使用阻抗分析仪,需要由发射分系统发射信号,电压电流取样器合适衰减端口输出的电压电流信号,直接送到数字示波器的CH1、CH2通道,计算机程序可控制示波器根据频率调整采样参数,由电压电流的采样信号自行分析处理,算出换能器的阻抗或导纳。
  (2)接收灵敏度测量
  高频测量时,辅助发射器、标准水听器和待测换能器都需要用专门的夹具固定,安装到回装定位装置上,便于方向调准、定向测量。
  测量时,发射分系统在水中形成持续的脉动声场,待测换能器在满足远场的距离上,输出的开路电压信号输入到电子开关,电子开关选通输出后送到前置放大器进行放大,同时经过高通滤波器进行滤波,最后输入示波器进行采样,并存入相应的数据。
  测完待测换能器后,保持发射状态不变,取下待测换能器,换上标准水听器,准确定位和方向调准后,标准水听器的输出经过与待测换能器一样的接收分系统,最后根据公式即可算出待测换能器的灵敏度。
  (3)发送电压响应测量
  与灵敏度测量时一样,标准水听器和待测换能器都需要用专门的夹具固定,安装到回装定位装置上,便于方向调准、定向测量。
  高频信号源产生的脉冲信号,经功率放大器放大后,加到待测换能器两端发射出去,电压电流取样器上取出的电压信号输入到电子开关。标准水听器处于发射换能器所形成声场中,由此产生的电信号同样输入到电子开关,电子开关选通输出的信号经前置放大器和高通滤波器放大滤波后输入到数字示波器采集分析,通过公式计算得到待测换能器的发送电压响应。
  (4)指向性图的测量
  与灵敏度和发送电压响应测量时一样,辅助换能器和待测换能器都需要用专门的夹具固定,安装到回装定位装置上,便于方向调准、定向测量。安装辅助换能器的升降回转装置应有程控升降和程控回转的功能。
  测量时,程序控制回转机构按指定的速度,从测量范围的一侧转到另一侧,转动过程中实时读取回转角度并采集辅助换能器的输出,把回转角度与输出电压的对应数据点描绘出来,即为待测换能器的指向性图。