水声换能器测量系统的设计（电子论文）
本文主要针对水声换能器的二级校准方法及比较校准法，通过由信号源、示波器、功率放大器、水声换能器及PC组成的自动测量系统实现对水声接收器的灵敏度及其不确定度的测量分析。
2的原理和方法
2.1 水声换能器的主要参数
水声换能器的主要性能指标有；水中工作频率、工作频率范围、频带宽度、发射声源级（声功率）及发射响应、指向性、接收灵敏度及接收灵敏度响应、发射效率、品质因素、阻抗、最大工作深度、尺寸和重量等。其中：
(1) 工作频率
水声换能器的工作频率或工作频率范围通常是由声纳设备的工作频率确定的。换能器的阻抗、指向性、灵敏度、发射功率、尺寸等都是频率的函数。一般说来，对发射换能器要计算它在谐振频率上或在谐振频率附近有限频带内的性能指标，在这个频率及其附近有最大的发射效率。对于宽带接收换能器（压电换能器）谐振频率应远高于接收频带的上限，以保证宽带内有平坦的接收响应且要计算它在谐振频率及其以下频段内的接收响应。大型低频声纳换能器的频率在数十赫到数千赫，而小型目标探测声纳换能器在数十千赫到数百千赫。
(2) 指向性
不管是换能器还是换能器阵，它们的发射响应或接收响应会随着相对于它们的方向改变而变化。这就是换能器具有指向性，发射换能器发射的声波如同探照灯射出的光束一样。由于换能器具有指向性就可以把声能聚集到某个方位发射，使能量更加集中。采用许多换能器组成尺寸更大的基阵，在相同的频率上指向性更加尖锐，能量更加集中，发射的距离更远，在接收状态下信噪比更大，作用距离也越远。
(3) 阻抗（或导纳）特性
换能器在谐振频率附近可以看成一个简单串并联的等效电路。电路中的每一个电阻、电容或电感表示该换能器固有特性，这就是换能器阻抗（或导纳）特性。掌握了换能器的阻抗特性才能使它与发射机的末级回路或接收机的输入电路相匹配。换能器的阻抗（或导纳）是一个复数，它是频率的函数，一般可表示成：Z(w)=R(w)+jX(w) （单位：欧姆）。
在机械共振时动态无功抗趋于零，静态容抗可用匹配电感调谐此时可以把它看成一个纯阻。压电换能器电阻抗一般在数十欧姆到数千欧姆的范围内。
(4) 发射功率
发射换能器的功能是将电子发射机的电功率转变为机械振动的机械功率，再把机械功率转变为声功率发射出去。发射声功率是指换能器在单位时间内向介质中辐射能量多少的物理量，功率的单位用瓦表示。换能器的发射功率受额定电压（或电流）、动态机械强度、温度及介质特性等因素的制约。
(5) 发射响应
能够全面反映发射换能器性能指标的是发射响应，主要有发射电压响应和发射电流响应。发射电压响应SV的定义是指发射换能器在指定方向上离其有效声中心d0米距离上产生的自由场表观声压Pf与加到换能器输入端的电压U的比值：SV=Pfd0/U。发射电压响应通常用分贝表示。
发射电流响应是指发射换能器在指定方向上离其有效声中心d0米距离上产生的自由场表观声压Pf与加到换能器输入端的电流I的比值：SI=Pf d0/I 。发射电压响应通常用分贝表示。
(6) 接收灵敏度
换能器的自由场电压灵敏度指的是接收换能器在入射声波的作用下，输出端的开路电压U(w)与自由场中（假设接收换能器不存在时）它的声中心所在点的声压Pf(w)的比值M(w)。对于接收换能器而言，需要在很宽的频率范围内接收入射声信号，而压电换能器通常是在低于谐振频率的宽频带范围内工作。
(7)接收灵敏度的起伏
宽带接收换能器要求在使用的频范围内有比较平坦的接收响应。通常规定在工作频段内接收电压灵敏度起伏量为±1.5dB。
2.2 程控接口
2.2.1 IEEE488接口（GPIB接口）
EEE488总线IEEE 488是一种并行的外总线，它是20世纪70年代由HP公司制定的。HP公司为了解决各种仪器仪表与各类计算机的接口时，由于互相不兼容而带来的连接麻烦，而研制了通用接口总线HP—IB总线。1975年IEEE以IEEE 488标准总线予以推荐，1977年国际电工委员会 (IEC)也对该总线进行认可与推荐，定名为IEC—IB。所以这种总线同时使用了IEEE—488，IEC—IB (IEC接口总线)，HP—IB (HP接口总线)或GP—IB (通用接口总线)多种名称。由于IEEE 488总线的推出，当用IEEE 488标准建立一个由计算机控制的测试系统时，不要再加一大堆复杂的控制电路，IEEE 488系统以机架层叠式智能仪器为主要器件，构成开放式的积木测试系统。因此IEEE 488总线是当前工业上应用最广泛的通信总线之一。一、 IEEE 488总线使用的约定(1) 数据传输速率≤1 MB/s。(2) 连接在总线上的设备 (包括作为主控器的微型机)≤15个。(3) 设备间的最大距离≤20 m。 (4) 整个系统的电缆总长度≤220 m，若电缆长度超过220 m，则会因延时而改变定时关系，从而造成工作不可靠。这种情况应附加调制解调器(5) 所有数据交换都必须是数字化的。(6) 总线规定使用24线的组合插头座，并且采用负逻辑，即用小于+0.8V的电平表示逻辑“1”；用大于2V的电平表示逻辑“0”。
2.2.2 接口功能
在接口系统中，为了进行有效地信息传递，一般要包括三种基本地接口功能要求，即讲者、听者和控者。控者是对系统进行控制的设备，能管理GPIB上的通信，使系统按适当的命令正确运行。它能发出接口消息，如各种命令、地址，也能接收仪器发来的请求和信息。讲者使发出装置消息的设备，即能输出数据。在一个系统中可以有一个或多个讲者，但在任一时刻只能有一个讲者工作。听者使接收讲者所发出的装置消息的设备，从GPIB接收数据。在一个系统中可以有几个听者，且可以有一个以上的听者同时工作。在一个GPIB系统中至少应该具有一个讲者功能和一个听者功能，以便传递信息，在自动测试系统中还应具备控者功能。一台仪器可具有上述一、二或三个功能。
接口消息是指用于管理接口系统的消息，它只能在接口功能及总线之间传递，并为接口功能所利用和处理，而绝不允许传递到装置功能部分去，装置消息在装置功能间传输，并由装置功能所利用和处理，它不改变接口功能的状态。
2.2.3 VISA控制技术
VISA是一种用于仪器程控的标准I/O应用程序接口（API），VISA本身不提供仪器程控能力，它是一种调用低级驱动程序的高级应用编程接口。NI-VISA的层次结构如图2所示:VISA可以根据所用仪器的类型调用适当的驱动程序，以实现对VXI、GPIB或串口仪器的控制。
应用VISA的理由：
VISA是标准。VISA是整个仪器工业做仪器驱动程序的标准API。可以利用一个API来控制一系列不同类型的仪器，如VXI、GPIB和串口。
接口无关性。VISA利用同样的操作来与各仪器进行联系，而不必考虑接口的类型。例如为实现向一个消息基仪器写一个ASCII字符串而采用的命令都是统一各，而不管这个仪器是串口、GPIG或是VXI。因此，VISA提供了接口无关性。这使得在各个总线接口间得切换变得更加容易，同时这也意味者使用者只需学习一个API即可实现仪器针对不同接口的编程。平台无关性。VISA被设计为利用VISA函数调用实现的程序，可以很容易地从一个平台转到另一个平台。为保证平台无关性，VISA严格定义了自己地数据类型。这便保证了诸如一个整型变量的大小是几个字节这样的问题，不会影响一个VISA程序从一个平台成功转移到另一个平台。VISA的函数调用及相关参数在不同平台上都是相同的。软件可以被转移到其他平台并重新编辑。一个LabWindows/CVI的程序可以被转移到任何支持LabWindows/CVI的平台上。
与未来相适应。VISA的另外一个优点是它面向对象的API，会很容易地与未来将出现的新仪器接口相适应，从而保证了会比较容易地将一个应用程序移植到一个新的接口。
2.3 水声换能器测量原理
在实施测量时，水声器必须放置离发射器声场的远区中，为了测量精度，要求标准水听器与发射器的远场球面波的波面相割的弧形面足够小，以至于可以为此弧面上的波跟平面波相差无几。如果待校水听器的尺寸与标准水听器的尺寸大很多，比如待测水声器为直径大于1米的水听器基阵，而标准水听器通常多是小于10厘米的小球或小柱，这样两者的远场条件所要求的测量距离相差很大，这种情况下，需待测水声器与标准水声器先后置于两个不同的距离上进行比较，现在图1中，两水听器处于两个不同的距离，这两者的远场条件所要求的测量距离也相差较远，也需待测水声器与标准水声器先后置于两个不同的距离上进行比较，由于他们都处在同一发射器的远场中，按球面波的波面扩展规律，则有公式：
(式1)
在式1中，M2为被测传感器灵敏度，V1、V2分别为标准传感器与被测传感器的输出电压，P1、P2分别为标准传感器与被测传感器的压强，M1为标准传感器的灵敏度。
在实施测量之前，还应做好如下一些准备工作。
