專利名稱：一種水聲換能器聲中心距離的校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于深海裝備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水聲換能器聲中心距離 的校正方法。
背景技術(shù)：
海底熱液口熱液的熱通量以及運(yùn)動(dòng)方式對(duì)熱液成礦、硫化物煙囪體形 成以及熱液生物圈活動(dòng)有直接影響，通過對(duì)熱液口的溫度場和流速的原位 測量，能夠較精確的測量熱液口輸出的熱通量。而溫度場分布是熱液系統(tǒng) 輸入海洋熱通量計(jì)算的重要參數(shù)。因此，對(duì)現(xiàn)代熱液活動(dòng)的溫度場分布原 位監(jiān)測是熱液活動(dòng)研究中的重要內(nèi)容之一 。到目前為止己經(jīng)開發(fā)了可以測 量熱液口點(diǎn)溫度的溫度計(jì)。現(xiàn)有的手段主要用溫度傳感器陣列進(jìn)行測量， 但這種接觸式溫度測量裝置具有很大的局限性首先，接觸式測量會(huì)干擾 熱液口的溫度；其次，接觸式溫度測量只能測量熱液口某些點(diǎn)的溫度，無 法得到熱液區(qū)域二維和三維的溫度場分布數(shù)據(jù)。但在熱液口原位聲波測溫 過程中，首先由發(fā)射器發(fā)射出一定頻率的聲波，同時(shí)要從接收器接收到的 信號(hào)中將系統(tǒng)發(fā)射器發(fā)射出聲波信號(hào)準(zhǔn)確檢測出來，將其與發(fā)射器發(fā)射的 聲波進(jìn)行相關(guān)處理，得到聲音從發(fā)射到接收之間的飛渡時(shí)間，再加上要是 能夠測出收發(fā)水聲換能器的精確距離，這樣就可以得出每條路徑上的平均 聲速，從而還原聲速二維分布。然而收發(fā)換能器的聲中心距離并不是傳感 器的幾何中心距離，所以不能直接測量。迄今為止，運(yùn)用水聲換能器進(jìn)行 研究的都是一些近海海域，其工作范圍是幾千米甚至幾十千米的距離，根 本不需要校正其聲中心距離。但在熱液口原位聲波測溫過程中，收發(fā)換能 器的聲中心距離相差lmm，其聲波飛渡時(shí)間就相差0.67^ (鹽度^ = 35。%。，溫 度7^2。C，收發(fā)換能器距離d^0.8m ，聲速^1500m/s，飛渡時(shí)間；=533.3〃"， 溫度就會(huì)相差0.5。C。
采用飛渡時(shí)間測量法來測量聲速，時(shí)間的精度決定了聲速的精度，也 就決定了溫度測量精度，因此必須精確的得出收發(fā)換能器的聲中心距離。目前，國內(nèi)尚未有深海熱液口溫度場原位在線聲學(xué)檢測系統(tǒng)中水聲換能器
聲中心距離的校正方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種運(yùn)行穩(wěn)定可靠、測 量準(zhǔn)確快速水聲換能器聲中心距離的校正方法。 本發(fā)明方法的具體步驟是
步驟(l).由發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器發(fā)送頻率范圍為18kHz
23kHz，聲壓級(jí)為69dB的聲音信號(hào);
步驟(2).由接收聲波信號(hào)的水聲換能器采集發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能 器發(fā)出的信號(hào)；
步驟(3).將采集得到的信號(hào)聲波信號(hào)輸送到聲波飛渡時(shí)間檢測儀得到 第一聲波飛渡時(shí)間ro"'—';
步驟(4).將發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器繞自身的中軸線旋轉(zhuǎn)180度， 將接收聲波信號(hào)的水聲換能器繞自身的中軸線旋轉(zhuǎn)180度，重復(fù)步驟(l)
至步驟(3)得到第二聲波飛渡時(shí)間;
步驟(5).校正聲波飛渡時(shí)間，記roF自"為rW』校正后的聲波飛渡時(shí)
間，記7W。'2為2校正后的聲波飛渡時(shí)間，其中
sr c c
roF。c』=ro"—2 — (〃 +, j = - " +(K')+(K) (2)
t是電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)的時(shí)間，t是聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的時(shí)間，A為發(fā) 生聲波信號(hào)的水聲換能器聲中心到接收聲波信號(hào)的水聲換能器的聲中心的
距離，^為旋轉(zhuǎn)180度后的發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器聲中心到接收聲波
信號(hào)的水聲換能器的聲中心的距離，c為聲速，D為發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換
能器到接收聲波信號(hào)的水聲換能器的最短距離，/i為發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換 能器的聲中心在兩個(gè)水聲換能器幾何中心連線所在直線上的投影點(diǎn)到發(fā)生 聲波信號(hào)的水聲換能器與幾何中心連線所在直線的兩個(gè)交點(diǎn)中的最短距離，/,為接收聲波信號(hào)的水聲換能器的聲中心在兩個(gè)水聲換能器幾何中心 連線所在直線上的投影點(diǎn)到接收聲波信號(hào)的水聲換能器與幾何中心連線所
在直線的兩個(gè)交點(diǎn)中的最短距離；《為發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器的直徑， 《為接收聲波信號(hào)的水聲換能器的直徑；
步驟(6).確定水聲換能器聲中心距離的真實(shí)值，具體步驟是
將公式(1)和式(2)相加得
2Z) +《+t/2 w TOF。fc,rfl + 一取+ " ( 3 )
由式(3)可以得出發(fā)生換能器電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)的時(shí)間和聲信號(hào)轉(zhuǎn)
換為電信號(hào)的時(shí)間的總和，即反應(yīng)時(shí)間為
f +, : 1 (r。"謂"1 i j^Fofo—2 2D +《(4) sr 2 c
利用式(4)計(jì)算出的反應(yīng)時(shí)間就可以得出發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器
和接收聲波信號(hào)的水聲換能器之間的聲中心距離真實(shí)值i，其計(jì)算式如下 丄=[t^f。^"^ _(fs + -c ( 5 )
其中roF。fc—為聲波飛渡時(shí)間檢測儀測得的飛渡時(shí)間。
本發(fā)明精確地得出了水聲換能器的聲中心距離，從而提高了聲波飛渡 時(shí)間的測量精度，也就提高了溫度測量精度，為科學(xué)家研究海底熱液口熱 液的熱通量以及運(yùn)動(dòng)方式對(duì)熱液成礦、硫化物煙囪體形成以及熱液生物圈 活動(dòng)提供了幫助。


圖l為校準(zhǔn)過程示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明方法的具體步驟為
步驟(l).由發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器發(fā)送頻率范圍為18kHz 23kHz，聲壓級(jí)為69dB的聲音信號(hào)；步驟(2).由接收聲波信號(hào)的水聲換能器采集發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能
器發(fā)出的信號(hào)；
步驟(3).將采集得到的信號(hào)聲波信號(hào)輸送到聲波飛渡時(shí)間檢測儀得到 第一聲波飛渡時(shí)間ro/一—1;
步驟(4).將發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器繞自身的中軸線旋轉(zhuǎn)180度， 將接收聲波信號(hào)的水聲換能器繞自身的中軸線旋轉(zhuǎn)180度，重復(fù)步驟(l) 至步驟(1)得到第二聲波飛渡時(shí)間7W一一2;
步驟(5).校正聲波飛渡時(shí)間，記rw。"為roF?！Ｕ蟮穆暡w渡時(shí) 間，記rw。'2為ro產(chǎn)，"校正后的聲波飛渡時(shí)間，由于實(shí)際測量過程中，D 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A、 i2，所以得到<formula>formula see original document page 7</formula>
公式(1)對(duì)應(yīng)圖1中的(a)圖，公式(2)對(duì)應(yīng)圖1中的(b)圖， (b)圖為(a)圖中水聲換能器旋轉(zhuǎn)變換后的示意圖，其中^是電信號(hào)轉(zhuǎn) 換為聲信號(hào)的時(shí)間，f,是聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的時(shí)間，A為發(fā)生聲波信號(hào)的 水聲換能器聲中心和接收聲波信號(hào)的水聲換能器的聲中心之間的距離，A 為旋轉(zhuǎn)后的發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器聲中心和接收聲波信號(hào)的水聲換能 器的聲中心之間的距離，c為聲速，Z)為發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器到接收 聲波信號(hào)的水聲換能器的最短距離，/,為發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器的聲中 心在兩個(gè)水聲換能器幾何中心連線所在直線上的投影點(diǎn)到發(fā)生聲波信號(hào)的 水聲換能器與幾何中心連線所在直線的兩個(gè)交點(diǎn)中的最短距離，/7為接收
聲波信號(hào)的水聲換能器的聲中心在兩個(gè)水聲換能器幾何中心連線所在直線 上的投影點(diǎn)到接收聲波信號(hào)的水聲換能器與幾何中心連線所在直線的兩個(gè) 交點(diǎn)中的最短距離；《為發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器的直徑，"2為接收聲波信號(hào)的水聲換能器的直徑；
步驟(6).得到水聲換能器聲中心距離的真實(shí)值，具體步驟是 將公式(1)和式(2)相加得
2" +(/, +(/2 - rof。ta^M + y^f。fe抑erf2 _ 2( j +《,) (3 )
由式(3)可以得出發(fā)生換能器電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)的時(shí)間和聲信號(hào)轉(zhuǎn)
換為電信號(hào)的時(shí)間的總和，即反應(yīng)時(shí)間為
,+, 丄+ 2Y)"資"2 一 2^ +《+ "2) ( 4 )
利用式(4)計(jì)算出的反應(yīng)時(shí)間就可以得出發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能 器和接收聲波信號(hào)的水聲換能器之間的聲中心距離真實(shí)值i ，其計(jì)算式如
下
￡ = [rc F^em!rf — " + ^)]. c ( 5 )
rof"為聲波飛渡時(shí)間檢測儀測得的飛渡時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種水聲換能器聲中心距離的校正方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟(1).由發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器發(fā)送頻率范圍為18kHz～23kHz，聲壓級(jí)為69dB的聲音信號(hào)；步驟(2).由接收聲波信號(hào)的水聲換能器采集發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器發(fā)出的信號(hào)；步驟(3).將采集得到的信號(hào)聲波信號(hào)輸送到聲波飛渡時(shí)間檢測儀得到第一聲波飛渡時(shí)間TOFobserved1；步驟(4).將發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器繞自身的中軸線旋轉(zhuǎn)180度，將接收聲波信號(hào)的水聲換能器繞自身的中軸線旋轉(zhuǎn)180度，重復(fù)步驟(1)至步驟(3)得到第二聲波飛渡時(shí)間TOFobserved2；步驟(5).校正聲波飛渡時(shí)間，記TOFactual1為TOFobserved1校正后的聲波飛渡時(shí)間，TOFactual2為TOFobserved2校正后的聲波飛渡時(shí)間，其中<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msup> <mi>TOF</mi> <mrow><mi>actual</mi><mn>1</mn> </mrow></msup><mo>=</mo><msup> <mi>TOF</mi> <mrow><mi>observed</mi><mn>1</mn> </mrow></msup><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>t</mi><mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>t</mi><mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>L</mi><mn>1</mn> </msub> <mi>c</mi></mfrac><mo>&ap;</mo><mfrac> <mrow><mi>D</mi><mo>+</mo><msub> <mi>l</mi> <mi>i</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>l</mi> <mi>j</mi></msub> </mrow> <mi>c</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msup> <mi>TOF</mi> <mrow><mi>actual</mi><mn>2</mn> </mrow></msup><mo>=</mo><msup> <mi>TOF</mi> <mrow><mi>observed</mi><mn>2</mn> </mrow></msup><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>t</mi><mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>t</mi><mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>L</mi><mn>2</mn> </msub> <mi>c</mi></mfrac><mo>&ap;</mo><mfrac> <mrow><mi>D</mi><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>d</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>l</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>d</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>l</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mi>c</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>ts是電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)的時(shí)間，tr是聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的時(shí)間，L1為發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器聲中心到接收聲波信號(hào)的水聲換能器的聲中心的距離，L2為旋轉(zhuǎn)180度后的發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器聲中心到接收聲波信號(hào)的水聲換能器的聲中心的距離，c為聲速，D為發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器到接收聲波信號(hào)的水聲換能器的最短距離，li為發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器的聲中心在兩個(gè)水聲換能器幾何中心連線所在直線上的投影點(diǎn)到發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器與幾何中心連線所在直線的兩個(gè)交點(diǎn)中的最短距離，lj為接收聲波信號(hào)的水聲換能器的聲中心在兩個(gè)水聲換能器幾何中心連線所在直線上的投影點(diǎn)到接收聲波信號(hào)的水聲換能器與幾何中心連線所在直線的兩個(gè)交點(diǎn)中的最短距離；d1為發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器的直徑，d2為接收聲波信號(hào)的水聲換能器的直徑；步驟(6).確定水聲換能器聲中心距離的真實(shí)值，具體步驟是將公式(1)和式(2)相加得<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>D</mi><mo>+</mo><msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>d</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow> <mi>c</mi></mfrac><mo>&ap;</mo><msup> <mi>TOF</mi> <mrow><mi>observed</mi><mn>1</mn> </mrow></msup><mo>+</mo><msup> <mi>TOF</mi> <mrow><mi>observed</mi><mn>2</mn> </mrow></msup><mo>-</mo><mn>2</mn><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>t</mi><mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>t</mi><mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>由式(3)可以得出發(fā)生換能器電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)的時(shí)間和聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的時(shí)間的總和，即反應(yīng)時(shí)間為<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>t</mi> <mi>s</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>t</mi> <mi>r</mi></msub><mo>&ap;</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msup><mi>TOF</mi><mrow> <mi>observed</mi> <mn>1</mn></mrow> </msup> <mo>+</mo> <msup><mi>TOF</mi><mrow> <mi>observed</mi> <mn>2</mn></mrow> </msup> <mo>-</mo> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mi>D</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>d</mi><mn>1</mn> </msub> <msub><mrow> <mo>+</mo> <mi>d</mi></mrow><mn>2</mn> </msub></mrow><mi>c</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>利用式(4)計(jì)算出的反應(yīng)時(shí)間得出發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器和接收聲波信號(hào)的水聲換能器之間的聲中心距離真實(shí)值L，其計(jì)算式如下L＝[TOFobserved-(ts+tr)]·c(5)TOFobserved為聲波飛渡時(shí)間檢測儀測得的飛渡時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水聲換能器聲中心距離的校正方法。現(xiàn)有技術(shù)在熱液口原位聲波測溫過程中，測量精確度不夠。本發(fā)明的步驟是首先由發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器發(fā)送聲音信號(hào)，接收聲波信號(hào)的水聲換能器采集發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器發(fā)出的信號(hào)，該信號(hào)送聲波飛渡時(shí)間檢測儀得到第一聲波飛渡時(shí)間TOF^observed1；其次將發(fā)生聲波信號(hào)的水聲換能器繞自身的中軸線旋轉(zhuǎn)180度，重復(fù)上述步驟得到第二聲波飛渡時(shí)間TOF^observed2；然后校正聲波飛渡時(shí)間，得到聲電轉(zhuǎn)換時(shí)間；最后確定水聲換能器聲中心距離的真實(shí)值。本發(fā)明精確地得出了水聲換能器的聲中心距離，從而提高了聲波飛渡時(shí)間的測量精度，也就提高了溫度測量精度。
文檔編號(hào)G01K15/00GK101644609SQ20091010206
公開日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2009年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日
發(fā)明者吳民忠, 張祝軍, 煒 樊, 潔 毛, 潘依雯, 潘華辰, 勇 蔡, 鷹 陳 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)