专利名称：一种水声换能器声中心距离的校正方法
技术领域：
本发明属于深海装备技术领域，具体涉及一种水声换能器声中心距离 的校正方法。
背景技术：
海底热液口热液的热通量以及运动方式对热液成矿、硫化物烟囱体形 成以及热液生物圈活动有直接影响，通过对热液口的温度场和流速的原位 测量，能够较精确的测量热液口输出的热通量。而温度场分布是热液系统 输入海洋热通量计算的重要参数。因此，对现代热液活动的温度场分布原 位监测是热液活动研究中的重要内容之一 。到目前为止己经开发了可以测 量热液口点温度的温度计。现有的手段主要用温度传感器阵列进行测量， 但这种接触式温度测量装置具有很大的局限性首先，接触式测量会干扰 热液口的温度；其次，接触式温度测量只能测量热液口某些点的温度，无 法得到热液区域二维和三维的温度场分布数据。但在热液口原位声波测温 过程中，首先由发射器发射出一定频率的声波，同时要从接收器接收到的 信号中将系统发射器发射出声波信号准确检测出来，将其与发射器发射的 声波进行相关处理，得到声音从发射到接收之间的飞渡时间，再加上要是 能够测出收发水声换能器的精确距离，这样就可以得出每条路径上的平均 声速，从而还原声速二维分布。然而收发换能器的声中心距离并不是传感 器的几何中心距离，所以不能直接测量。迄今为止，运用水声换能器进行 研究的都是一些近海海域，其工作范围是几千米甚至几十千米的距离，根 本不需要校正其声中心距离。但在热液口原位声波测温过程中，收发换能 器的声中心距离相差lmm，其声波飞渡时间就相差0.67^ (盐度^ = 35。%。，温 度7^2。C，收发换能器距离d^0.8m ，声速^1500m/s，飞渡时间；=533.3〃"， 温度就会相差0.5。C。
采用飞渡时间测量法来测量声速，时间的精度决定了声速的精度，也 就决定了温度测量精度，因此必须精确的得出收发换能器的声中心距离。目前，国内尚未有深海热液口温度场原位在线声学检测系统中水声换能器
声中心距离的校正方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种运行稳定可靠、测 量准确快速水声换能器声中心距离的校正方法。 本发明方法的具体步骤是
步骤(l).由发生声波信号的水声换能器发送频率范围为18kHz
23kHz，声压级为69dB的声音信号;
步骤(2).由接收声波信号的水声换能器采集发生声波信号的水声换能 器发出的信号；
步骤(3).将采集得到的信号声波信号输送到声波飞渡时间检测仪得到 第一声波飞渡时间ro"'—';
步骤(4).将发生声波信号的水声换能器绕自身的中轴线旋转180度， 将接收声波信号的水声换能器绕自身的中轴线旋转180度，重复步骤(l)
至步骤(3)得到第二声波飞渡时间;
步骤(5).校正声波飞渡时间，记roF自"为rW』校正后的声波飞渡时
间，记7W。'2为2校正后的声波飞渡时间，其中
sr c c
roF。c』=ro"—2 — (〃 +, j = - " +(K')+(K) (2)
t是电信号转换为声信号的时间，t是声信号转换为电信号的时间，A为发 生声波信号的水声换能器声中心到接收声波信号的水声换能器的声中心的
距离，^为旋转180度后的发生声波信号的水声换能器声中心到接收声波
信号的水声换能器的声中心的距离，c为声速，D为发生声波信号的水声换
能器到接收声波信号的水声换能器的最短距离，/i为发生声波信号的水声换 能器的声中心在两个水声换能器几何中心连线所在直线上的投影点到发生 声波信号的水声换能器与几何中心连线所在直线的两个交点中的最短距离，/,为接收声波信号的水声换能器的声中心在两个水声换能器几何中心 连线所在直线上的投影点到接收声波信号的水声换能器与几何中心连线所
在直线的两个交点中的最短距离；《为发生声波信号的水声换能器的直径， 《为接收声波信号的水声换能器的直径；
步骤(6).确定水声换能器声中心距离的真实值，具体步骤是
将公式(1)和式(2)相加得
2Z) +《+t/2 w TOF。fc,rfl + 一取+ " ( 3 )
由式(3)可以得出发生换能器电信号转换为声信号的时间和声信号转
换为电信号的时间的总和，即反应时间为
f +, : 1 (r。"謂"1 i j^Fofo—2 2D +《(4) sr 2 c
利用式(4)计算出的反应时间就可以得出发生声波信号的水声换能器
和接收声波信号的水声换能器之间的声中心距离真实值i，其计算式如下 丄=[t^f。^"^ _(fs + -c ( 5 )
其中roF。fc—为声波飞渡时间检测仪测得的飞渡时间。
本发明精确地得出了水声换能器的声中心距离，从而提高了声波飞渡 时间的测量精度，也就提高了温度测量精度，为科学家研究海底热液口热 液的热通量以及运动方式对热液成矿、硫化物烟囱体形成以及热液生物圈 活动提供了帮助。
图l为校准过程示意图。
具体实施例方式
本发明方法的具体步骤为
步骤(l).由发生声波信号的水声换能器发送频率范围为18kHz 23kHz，声压级为69dB的声音信号；步骤(2).由接收声波信号的水声换能器采集发生声波信号的水声换能
器发出的信号；
步骤(3).将采集得到的信号声波信号输送到声波飞渡时间检测仪得到 第一声波飞渡时间ro/一—1;
步骤(4).将发生声波信号的水声换能器绕自身的中轴线旋转180度， 将接收声波信号的水声换能器绕自身的中轴线旋转180度，重复步骤(l) 至步骤(1)得到第二声波飞渡时间7W一一2;
步骤(5).校正声波飞渡时间，记rw。"为roF。—校正后的声波飞渡时 间，记rw。'2为ro产，"校正后的声波飞渡时间，由于实际测量过程中，D 远远大于A、 i2，所以得到<formula>formula see original document page 7</formula>
公式(1)对应图1中的(a)图，公式(2)对应图1中的(b)图， (b)图为(a)图中水声换能器旋转变换后的示意图，其中^是电信号转 换为声信号的时间，f,是声信号转换为电信号的时间，A为发生声波信号的 水声换能器声中心和接收声波信号的水声换能器的声中心之间的距离，A 为旋转后的发生声波信号的水声换能器声中心和接收声波信号的水声换能 器的声中心之间的距离，c为声速，Z)为发生声波信号的水声换能器到接收 声波信号的水声换能器的最短距离，/,为发生声波信号的水声换能器的声中 心在两个水声换能器几何中心连线所在直线上的投影点到发生声波信号的 水声换能器与几何中心连线所在直线的两个交点中的最短距离，/7为接收
声波信号的水声换能器的声中心在两个水声换能器几何中心连线所在直线 上的投影点到接收声波信号的水声换能器与几何中心连线所在直线的两个 交点中的最短距离；《为发生声波信号的水声换能器的直径，"2为接收声波信号的水声换能器的直径；
步骤(6).得到水声换能器声中心距离的真实值，具体步骤是 将公式(1)和式(2)相加得
2" +(/, +(/2 - rof。ta^M + y^f。fe抑erf2 _ 2( j +《,) (3 )
由式(3)可以得出发生换能器电信号转换为声信号的时间和声信号转
换为电信号的时间的总和，即反应时间为
,+, 丄+ 2Y)"資"2 一 2^ +《+ "2) ( 4 )
利用式(4)计算出的反应时间就可以得出发生声波信号的水声换能 器和接收声波信号的水声换能器之间的声中心距离真实值i ，其计算式如
下
￡ = [rc F^em!rf — " + ^)]. c ( 5 )
rof"为声波飞渡时间检测仪测得的飞渡时间。
权利要求
1.一种水声换能器声中心距离的校正方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤(1).由发生声波信号的水声换能器发送频率范围为18kHz～23kHz，声压级为69dB的声音信号；步骤(2).由接收声波信号的水声换能器采集发生声波信号的水声换能器发出的信号；步骤(3).将采集得到的信号声波信号输送到声波飞渡时间检测仪得到第一声波飞渡时间TOFobserved1；步骤(4).将发生声波信号的水声换能器绕自身的中轴线旋转180度，将接收声波信号的水声换能器绕自身的中轴线旋转180度，重复步骤(1)至步骤(3)得到第二声波飞渡时间TOFobserved2；步骤(5).校正声波飞渡时间，记TOFactual1为TOFobserved1校正后的声波飞渡时间，TOFactual2为TOFobserved2校正后的声波飞渡时间，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>≈</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>≈</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是电信号转换为声信号的时间，tr是声信号转换为电信号的时间，L1为发生声波信号的水声换能器声中心到接收声波信号的水声换能器的声中心的距离，L2为旋转180度后的发生声波信号的水声换能器声中心到接收声波信号的水声换能器的声中心的距离，c为声速，D为发生声波信号的水声换能器到接收声波信号的水声换能器的最短距离，li为发生声波信号的水声换能器的声中心在两个水声换能器几何中心连线所在直线上的投影点到发生声波信号的水声换能器与几何中心连线所在直线的两个交点中的最短距离，lj为接收声波信号的水声换能器的声中心在两个水声换能器几何中心连线所在直线上的投影点到接收声波信号的水声换能器与几何中心连线所在直线的两个交点中的最短距离；d1为发生声波信号的水声换能器的直径，d2为接收声波信号的水声换能器的直径；步骤(6).确定水声换能器声中心距离的真实值，具体步骤是将公式(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>≈</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)可以得出发生换能器电信号转换为声信号的时间和声信号转换为电信号的时间的总和，即反应时间为<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>≈</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)计算出的反应时间得出发生声波信号的水声换能器和接收声波信号的水声换能器之间的声中心距离真实值L，其计算式如下L＝[TOFobserved-(ts+tr)]·c(5)TOFobserved为声波飞渡时间检测仪测得的飞渡时间。
全文摘要
本发明涉及一种水声换能器声中心距离的校正方法。现有技术在热液口原位声波测温过程中，测量精确度不够。本发明的步骤是首先由发生声波信号的水声换能器发送声音信号，接收声波信号的水声换能器采集发生声波信号的水声换能器发出的信号，该信号送声波飞渡时间检测仪得到第一声波飞渡时间TOF<sup>observed1</sup>；其次将发生声波信号的水声换能器绕自身的中轴线旋转180度，重复上述步骤得到第二声波飞渡时间TOF<sup>observed2</sup>；然后校正声波飞渡时间，得到声电转换时间；最后确定水声换能器声中心距离的真实值。本发明精确地得出了水声换能器的声中心距离，从而提高了声波飞渡时间的测量精度，也就提高了温度测量精度。
文档编号G01K15/00GK101644609SQ20091010206
公开日2010年2月10日 申请日期2009年8月25日 优先权日2009年8月25日
发明者吴民忠, 张祝军, 炜 樊, 洁 毛, 潘依雯, 潘华辰, 勇 蔡, 鹰 陈 申请人:杭州电子科技大学