7《计量与测试技术》2226年第45卷第3期声强空间分布及水听器灵敏度标定误差分析
张海生（通讯作者）罗斌李跃文王东邵杨梦梁清
月圆之日（杭州应用声学研究所，浙江杭州310223）
摘要：在非开阔水域中采用比测法标定水听器灵敏度时，声源附近的声强空间分布因多途声波相干叠加呈现分层特点，引起水听器灵敏度标定结果存在系统性误差。声场仿真和垂直阵实测证实了声强分层现象，解释了在非消声水池中进行水听器灵敏度标定试验的误差成因。提出在消声水池或开阔水域进行灵敏度标定试验，并将水听器和标准小球同深度布设，可消除声强分层现象或降低其引入的误差。
关键词：水听器灵敏度；声强空间分布；系统性误差；消声水池
中图分类号:U666.75文献标识码:A国家标准学科分类代码：462.4025
DOI：12.15985/j.cukU104-6941.2221.3.226三峡文言文
Sptial DistriCution of Sound Intensity and Analysis of Hydraphone
Sensitivita CaliCration Errar
民国成立
ZHANG HaisPec/LUO Bin LI Yuewec WANG Don/SHAO Yancmec/LINNG Qin/
Abstraci:When the hyprophoac nsitivity is coOLrateC by the compa/soc methoC in non-open waters；the spc-Uct distridutioc of socud Ptecsity cevs the socud sourer is layereC duc to the coCerect supeuosPPa of multi-path socud wcvcs；cousin/systematic errors in the hyprophoac nsitivity caOduOon results.The socud fielU simulation and the actucl measurement usin/the verticvl orcy confirms the socud intensity laye/n/phenomenon,and ex-plaineC the error of the hyprophoac nsitivity caOduOon test in c non-anechoic pool.It is procoC to conduct c nsitivity caOPratioc test in an anechoic pool os open water；and to arran/c thc hyprophoac and ihc standard ball ct the same depth,which can eliminate thc socud intensity laye/n/phenomenon os reCucc thc error.
Key w ords：hypuphoac nsitivity；spOict dist/dutioc of socud PWnsip；sysWmOic eiroT；—6(0102pool
2引言
水听器灵敏度是声纳设备的主要设计参数之一，通常采用比测法对其进行标定。J7比测法测量原理是在水听器和标准小球所在空间位置声强相同的前提下，通过比较二者输出电压幅值，得到水听器的灵
敏度。⑶在非开阔水域或非消声水池中采用比测法进行标定试验时，多途声波干涉会导致声源附近的声强空间分布呈现分层特点。J一3此时，若水听器和标准小球布设深度不同，则二者所在位置的声强不同，造成比测法测量结果中存在系统性误差，该误差无法通过多次测量结果取平均值的方法消除。
本文通过声场仿真和垂直阵实测，证实了多途声波相干叠加导致声强分层现象，验证了声强分布周期随声源频率升高而减小，解释了非消声水池中灵敏度测量误差的成因，试验验证了消声水池可以提高水听器灵敏度标定结果的准确性。
6比测法原理
图1比测法设备布置示意图
比测法标定水听器灵敏度的设备布置示意图如图6所示，水听器和标准小球布设在试验水域同侧。
作者简介：张海生，工程师，主要从事水声信号处理等方面的研究
。
张海生等：声强空间分布及水听器灵敏度标定误差分析79
上位机控制声源发射指定频率的单频连续波，水听器和标准小球输出信号传入上位机。
当水听器和标准小球所在空间位置的声强相同时，有如下关系：压力与情绪管理
式中：5test和kf-----水听器和标准小球的灵敏度；W2和Ke f——水听器和标准小球的输出电压幅值。
将灵敏度用对数形式表示为：
S wp二2/CU wst（2）
S re r=221efc re r（3）
将式（2）和（3）带入式（1），整理可得水听器的灵敏度为：
S te st=S re r+2210k2（4）
比测法本质上是利用水听器和标准小球对相同的声强进行测量，通过比较二者输出电压幅值，从而得
到水听器的灵敏度。因此，比测法有效的前提条件是水听器和标准小球所处空间位置的声强相同。2声强分层现象
根据射线声学，空间中一点的声强是声源发出声波经多途传播后相干或非相干叠加的结果。当考察点距离声源较近时，多途传播的声波之间具有较高的相干性。本节从多途传播模型仿真'Konen声场仿真⑹和垂直阵实测三个方面研究声强分层现象。
2.6多途传播模型
建立声波多途传播模型分析三种主要传播途径的声波之间的干涉现象，包括直达波、水面反射波和水底反射波，忽略两次及两次以上反射波。因为考察范围距声源较近，忽略声波传播过程中因散射和水体吸收导致的衰减，传播损失按球面波扩散计算。仿真参数如表1所示，声源频率为404Hz、502Hz和602Hz的声强空间分布仿真结果如图2所示。声强极大值位置呈放射状分布，并且每条射线上声强随深度呈现周期变化的分层特点。
表1多途传播模型仿真参数
参数数值
声源深度10m
声源频率400Hz/500Hz/600Hz
水深40m
距离(m)
05101520
(a)400Hz
距离(m)距离(m)
0 510152005101520
(b)500Hz(c)600Hz
图2多途传播模型仿真声强空间分布
如图2中白色虚线所示，固定考察点与声源水平距离为15m，声强随深度变化关系如图3所示。在仿真参数条件下，声强分布大致以22m为界限划分为两个深度范围，每个深度范围内的声强随深度均呈现周期变化，并且声强分布周期均随声源频率
图3多途传播模型仿真声强随深度变化
2.2Koken仿真
利用Koken模型对频率分别为402Hz、504Hz 和604Hz三种情况下的声强空间分布进行仿真，声源深度和水深与多途传播模型相同，仿真参数详见表2o
表2Konec仿真参数
参数数值
声源深度10m
声源频率400Hz/500Hz/600Hz
水密度 1.0//cm3
水声速300m/s
水深40m
水底密度 1.2e/cm3
水底声速1652m/s
Kranec仿真结果如图4所示。距离声源水平距离15m处的声强纵向分布如图5所示。声强分布具有明显分层特点，且强弱变化周期随频率的升高而减小，与多途传播模型仿真结论吻合，但并未表现出明显的以22m深度为界限的现象，可能原因是Kranen包括了更多的高阶声场模式
。
89《计量与测试技术》2021年第42卷第5 期
图4 Kraber 仿真声强空间分布
(
a p )®M M —E =
深度(m )
(a )400Hz
深度(m )
(b )500Hz
图5 Kraber 仿真声强随深度变化
2. 3垂直阵实测
利用垂直阵实测声源频率为409Ha 、509Ha 和
609Ha 三种频率下的声场分布。声源深度19m 、水
深44m，垂直阵距声源水平距离为15m，与上述两个 仿真中所取参数相同。
垂直阵实测设备布置示意图如图7所示。测量 结果如图7所示，在仿真参数条件下，声强分布大致 以15m 为界限划分为两个深度范围，每个深度范围
内的声强随深度均呈现周期变化，并且声强分布周 期均随声源频率升高而减小。该结论与多途传播模
型和Kraber 仿真分析结果符合。
图6垂直阵实测设备布置示意图
2.4 小结
通过多途传播模型仿真、Keber 声场仿真和垂 直阵实测三种途径分析了声源附近的声强空间分布
特点，实测结果与仿真结论相符。声波存在多途传 播且互相之间具有较强的相干性时，声强分布随深
度变化而呈现周期变化的分层现象
(H P )®K ^—m =
020
40020
40020
40
深度（）"
北冬虫夏草
深度（m ）
深度（m ）
(a )400Hz (b )500Hz (c )600Hz
图7垂直阵实测声强随深度变化
3水听器灵敏度标定误差
当试验条件受限，水听器和标准小球布置在声
源附近，且声波存在多途传播路径时，因声波干涉导 致声强随深度变化。若水听器和标准小球布放深度
不一致，将导致水听器和标准小球接收的声强不相
同，此时比测法存在系统性误差，无法通过多次测量
取平均的方法消除误差。
b级锅炉声源发射频率为609Hz 的单频连续波，水听器
和标准小球布放深度未完全一致，水听器位于A 点 所示深度，标准小球位于B 点所示深度，二者所处 位置的声强相差约8dB，该误差将直接导致比测法 结果存在8dB 的系统性误差。试验中对灵敏度为佘山欢乐谷
-95dB 的水听器的灵敏度标定结果约为-94dB，并
且多次测量结果均在-94dB 附近。
(
HP)
糜M 芒
—卫
-15 L ---------------------------v ------」------------0 10 20 30 40
深度(m )
图8比测法误差产生原因分析
为了消除声强分层引入的测量误差，可以在水 池四周和底部铺设消声材料，通过对水面、水底反射
波进行吸收，阻断声波多途传播路径，从而消除声强
分层现象。对同一只水听器的灵敏度进行测试，测
试结果为-95dB 。并且人为地将标准小球和水听 器布放深度相差（9. 5〜1）m，灵敏度标定结果稳定
为-QMB 左右，并为发生明显变化，表明消声水池 可降低水听器和标准小球布放深度一致性要求，提
高灵敏度标定结果准确性。
（下转第87页
）
李晗等：建筑外门窗气密性能检测装置的空气流量测量装置的校验方法探讨87
续表9
标准状态下空气渗透量
62624.29 4.680.29160.69 q4p(106Pa)m7/h
正10.257 6.5924.45 2.67.5639.2539.2579.5279.5480.264.4965.1063.34标准状态下
校验渗透量平均误差 5.5915.55-6739.29-9.579.69-62U.K-1.0 q A(m7/h)
/误差(%)
负1626049 5.8515.7715.2615.55 4.0639.5035.6754.5454.59616160.8/6580平均误差10.459.I15.77-4.739.34-2.059.I071164.25-0.1古情诗
2结束语
在空气流量测量装置的校验过程中，通过控制检测室空气温度22C±1°C；调节压力箱密封状态，控制附加渗透检测时12Pa压差下风速接近2.31s, 32Pa压差下风速2.5m/s左右；连续12h完成空气
(上接第82页)
2结论
本文通过声波多途传播模型、Kuden声场仿真和垂直阵实测证实了声强分层现象，实测结果与仿真结果规律一致。进而分析了标准小球和水听器布设深度存在误差时，声强分层现象造成的灵敏度测量误差。
在消声水池和开阔水域进行水听器灵敏度标定，可以避免发生多途声波相干叠加，从而消除声强分层现象。在非消声水池和消声水池中对同一只水听器灵敏度标定试验表明，消声水池可以有效消除声场分层引起的灵敏度测量误差，降低水听器和标准小球布设难度。
当试验条件受限，无法在开阔水域或消声水池进行灵敏度标定试验时，应尽量保证水听器和标准
(上接第82页)
检测的定位终端相连，控制器的输出端与振动器的控制端相连，控制所述振动器产生振动。
7结语
本套检测装置，利用卫星信号采集回放仪采集外界真实环境信号(即卫星定位信号)并回放，保证了测试条件尽可能接近真实环境，且可以反复使用同一测试条件，利于复测，并具有可控性；将定位终端放置于屏蔽暗室内，并采用数据通信链路实现定位终端和终端通信设备通信连接，该数据通信链路能够有效隔绝干扰，保证通信信号可控，实现了能够在可控的仿真外界环境下，对定位终端进行定位精流量测量装置的校验；标定修正后空气流量测量装置的测量误差不超过±5%。
参考文献
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小球位于同一深度，也可以有效减小声强分层现象引入的测量误差。
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度和捕获卫星信号能力检测和评估。
尽管近几年穿戴型设备的发展迅猛，但由于国内的定位终端产业起步较晚，技术成熟程度以及市场规范化程度均不高，因此，目前行业内对产品性能指标尚无统一标准，所以行业相关标准工作是后续相
关工作中需要思考的问题之一。
参考文献
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