本發(fā)明涉及傳感器的靈敏度測量技術(shù)，尤其是涉及一種usp探頭的靈敏度測量方法。

背景技術(shù)：

usp探頭是一種三維聲壓-質(zhì)點振速傳感器，其主要由一個聲壓傳感器和三個相互正交的質(zhì)點振速傳感器組成，測量usp探頭的靈敏度，則需要測量聲壓傳感器和質(zhì)點振速傳感器的靈敏度。目前，聲壓傳感器的靈敏度很容易測量，只需將其與標(biāo)準聲壓傳感器放置在聲場中同一點，然后將二者所測量的聲壓進行對比，即可獲得聲壓傳感器的靈敏度；然而，目前還沒有標(biāo)準的質(zhì)點振速傳感器，因此質(zhì)點振速傳感器的靈敏度測量比較困難。

現(xiàn)有的質(zhì)點振速傳感器靈敏度測量方法通常需要借助一些特殊的聲源或聲學(xué)設(shè)備，比如駐波管、安裝在地下且非常長的聲波導(dǎo)管、一個內(nèi)嵌揚聲器且揚聲器正前方開一個小孔的剛性塑料球、一個后置小揚聲器且揚聲器前方開一個小孔的木制障板等等，以便創(chuàng)建一個聲阻抗已知的聲環(huán)境，然后結(jié)合標(biāo)準的聲壓傳感器，進而對質(zhì)點振速傳感器的靈敏度進行測量。在實際應(yīng)用中，上述需要特別設(shè)計的聲源或聲學(xué)設(shè)備并不能隨即制得，其一定程度上限制了質(zhì)點振速傳感器的應(yīng)用，例如其一定程度的限制了usp探頭的應(yīng)用。

此外，現(xiàn)有的質(zhì)點振速傳感器靈敏度測量方法不能同時獲得usp探頭三個方向的靈敏度，而需要依次測量分別獲取，其不利于提高測量效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)不足，提出一種usp探頭的靈敏度測量方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中質(zhì)點振速傳感器只能特定條件下測量、測量效率低下的技術(shù)問題。

為達到上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種usp探頭的靈敏度測量方法，包括如下步驟：

(1)設(shè)定一個振動體輻射的聲場，將待測的usp探頭和參考聲壓傳感器置于聲場的同一位置，根據(jù)參考聲壓傳感器的靈敏度計算usp探頭中的待測聲壓傳感器的靈敏度；

(2)在聲場中靠近振動體設(shè)定全息面H，通過usp探頭逐點掃描測量全息面H上的聲壓和κ方向上的質(zhì)點振速；

(3)將全息面H上的聲壓或κ方向上的質(zhì)點振速作為全息輸入，采用基于等效源法的近場聲全息技術(shù)重建全息面H上每個測量點的κ方向上的質(zhì)點振速或聲壓；

(4)計算重建全息面H上第m個測量點的聲阻抗，m為自然數(shù)；

(5)根據(jù)步驟(4)的聲阻抗計算usp探頭中的質(zhì)點振速傳感器在第m個測量點的靈敏度；

(6)重復(fù)步驟(4)和步驟(5)，將usp探頭中的質(zhì)點振速傳感器的多個測量點的靈敏度取平均值即可。

優(yōu)選的，所述步驟(1)中待測聲壓傳感器的靈敏度的計算公式為：

其中，S_p為待測聲壓傳感器的靈敏度，p是待測聲壓傳感器的輸出，p_ref是參考聲壓傳感器的輸出，S_ref是參考聲壓傳感器的靈敏度。

優(yōu)選的，所述步驟(2)中全息面H上有M個測量點、基于等效源法的虛源面Γ上有N個等效源，則

其中，P^H是全息面H上的聲壓，表示虛數(shù)單位，ρ是空氣密度，ω是角頻率，是全息面H上的聲壓與虛源面Γ上的等效源之間M×N階傳遞矩陣，Q^Γ是虛源面Γ上N個等效源的源強列向量，U^Hκ是全息面H上κ方向上的質(zhì)點振速，是全息面H上的質(zhì)點振速與虛源面Γ上的等效源之間的M×N階傳遞矩陣。

優(yōu)選的，若所述步驟(3)將重建全息面H上的聲壓P^H作為全息輸入，則源強列向量的正則化解和重建全息面H上κ方向上的質(zhì)點振速U^Hκ的計算公式分別為：

若所述步驟(3)將重建全息面H上κ方向上的質(zhì)點振速U^Hκ作為全息輸入，則源強列向量的正則化解和重建全息面H上每一個測量點的聲壓P^R的計算公式分別為：

其中，為源強列向量的正則化解，的上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置、-1表示矩陣的逆運算，ε是正則化參數(shù)，E是單位矩陣。

優(yōu)選的，重建全息面H上第m個測量點的聲阻抗Z_m的計算公式為：

其中，m＝1，2，…，M。

優(yōu)選的，質(zhì)點振速傳感器在第m個測量點的靈敏度的計算公式為：

或

其中，是第m個測量點的參考聲壓傳感器的輸出。

優(yōu)選的，質(zhì)點振速傳感器在第m個測量點的靈敏度的計算公式為：

優(yōu)選的，質(zhì)點振速傳感器的靈敏度的計算公式為：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于近場聲全息技術(shù)，從測量或重建的聲壓和不同方向的質(zhì)點振速中直接獲取不同方向的聲阻抗，并結(jié)合標(biāo)準的參考聲壓傳感器實現(xiàn)usp探頭不同方向靈敏度的同時測量，其提高了測量效率和測量精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明以聲壓為全息輸入時計算的u探頭在x方向上的靈敏度幅值曲線；

圖2為本發(fā)明以聲壓為全息輸入時計算的u探頭在x方向上的靈敏度相位曲線；

圖3為本發(fā)明以聲壓為全息輸入時計算的u探頭在y方向上的靈敏度幅值曲線；

圖4為本發(fā)明以聲壓為全息輸入時計算的u探頭在y方向上的靈敏度相位曲線；

圖5為本發(fā)明以聲壓為全息輸入時計算的u探頭在z方向上的靈敏度幅值曲線；

圖6為本發(fā)明以聲壓為全息輸入時計算的u探頭在z方向上的靈敏度相位曲線；

圖7為本發(fā)明以質(zhì)點振速為全息輸入時計算的u探頭在x方向上的靈敏度幅值曲線；

圖8為本發(fā)明以質(zhì)點振速為全息輸入時計算的u探頭在x方向上的靈敏度相位曲線；

圖9為本發(fā)明以質(zhì)點振速為全息輸入時計算的u探頭在y方向上的靈敏度幅值曲線；

圖10為本發(fā)明以質(zhì)點振速為全息輸入時計算的u探頭在y方向上的靈敏度相位曲線；

圖11為本發(fā)明以質(zhì)點振速為全息輸入時計算的u探頭在z方向上的靈敏度幅值曲線；

圖12為本發(fā)明以質(zhì)點振速為全息輸入時計算的u探頭在z方向上的靈敏度相位曲線。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的實施例提供了一種usp探頭的靈敏度測量方法，包括如下步驟：

(1)設(shè)定一個振動體輻射的聲場，將待測的usp探頭和參考聲壓傳感器置于聲場的同一位置，根據(jù)參考聲壓傳感器的靈敏度計算usp探頭中的待測聲壓傳感器的靈敏度；

本實施例在參考聲壓傳感器的靈敏度已知的條件下，可直接獲取待測聲壓傳感器的靈敏度，其計算公式如下：

其中，S_p為待測聲壓傳感器的靈敏度，p是待測聲壓傳感器的輸出，p_ref是參考聲壓傳感器的輸出，S_ref是參考聲壓傳感器的靈敏度。

(2)在聲場中靠近振動體設(shè)定全息面H，通過usp探頭逐點掃描測量全息面H上的聲壓和κ方向上的質(zhì)點振速；

現(xiàn)有技術(shù)無標(biāo)準的質(zhì)點振速參考傳感器，故本實施例usp探頭的三個質(zhì)點振速傳感器的靈敏度可采用近場聲全息的方式獲取，其具體為在聲場中靠近振動體位置，采用usp探頭逐點掃描測量一個平面H上的聲壓和κ方向上的質(zhì)點振速，該掃描測量的平面可作為全息面H。為了減少測量工作量、降低測量成本，本實施例優(yōu)選基于等效源法的近場聲全息技術(shù)進行局部重建，而基于等效源法的基本原理，聲源輻射的聲壓可以用分布在虛源面Г上的等效源所輻射的聲壓加權(quán)求和替代。故本實施例可假定全息面H上有M個測量點，虛源面Γ上有N個等效源，那么M個測量點的聲壓和κ方向上的質(zhì)點振速可分別用矩陣的形式表達，具體為：

其中，P^H是全息面H上的聲壓，表示虛數(shù)單位，ρ是空氣密度，ω是角頻率，是全息面H上的聲壓與虛源面Γ上的等效源之間M×N階傳遞矩陣，Q^Γ是虛源面Γ上N個等效源的源強列向量，U^Hκ是全息面H上κ方向上的質(zhì)點振速，是全息面H上的質(zhì)點振速與虛源面Γ上的等效源之間的M×N階傳遞矩陣。

本實施例中，當(dāng)κ＝(1,0,0)或κ＝(0,1,0)或κ＝(0,0,1)，則U^Hκ剛好分別是x、y、z方向上的質(zhì)點振速分量。

(3)將全息面H上的聲壓或κ方向上的質(zhì)點振速作為全息輸入，采用基于等效源法的近場聲全息技術(shù)重建全息面H上每個測量點的κ方向上的質(zhì)點振速或聲壓；

當(dāng)測量點的數(shù)目不少于等效源的數(shù)目時，即M≥N時，可通過奇異值分解計算廣義逆求得等源源強列向量Q^Γ。

若所述步驟(3)將重建全息面H上的聲壓P^H作為全息輸入，則源強列向量的正則化解和重建全息面H上κ方向上的質(zhì)點振速U^Hκ的計算公式分別為：

若所述步驟(3)將重建全息面H上κ方向上的質(zhì)點振速U^Hκ作為全息輸入，則源強列向量的正則化解和重建全息面H上每一個測量點的聲壓P^R的計算公式分別為：

上公式(4)～(7)中，為源強列向量的正則化解，的上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置、-1表示矩陣的逆運算，ε是正則化參數(shù)，E是單位矩陣。

(4)計算重建全息面H上第m個測量點的聲阻抗，m為自然數(shù)；

在步驟(3)的基礎(chǔ)上，可計算所有的重建全息面H上的所有測量點的聲阻抗，而其中第m個測量點的聲阻抗的計算公式如下：

其中，m＝1，2，…，M。

(5)根據(jù)步驟(4)的聲阻抗計算usp探頭中的質(zhì)點振速傳感器在第m個測量點的靈敏度；

在聲阻抗的聯(lián)系下，質(zhì)點振速傳感器的輸出與參考聲壓傳感器可通過下述公式連接，具體為：

其中，u和S_u分別是質(zhì)點振速傳感器的輸出和靈敏度。

由上述公式(12)可知，質(zhì)點振速傳感器的靈敏度計算公式為：

將公式(8)代入公式(13)，可得質(zhì)點振速傳感器在第m個測量點的靈敏度的計算公式為：

或

其中，是第m個測量點的參考聲壓傳感器的輸出。

由公式(1)可知：

將公式(14)代入公式(9)，即得質(zhì)點振速傳感器在第m個測量點的靈敏度的計算公式為：

(6)將usp探頭中的質(zhì)點振速傳感器的多個測量點的靈敏度取平均值即可。

理論上，采用式(10)估算的所有測量點的質(zhì)點振速傳感器的靈敏度應(yīng)該相等，然而事實并非如此，因為測量和重建過程中的不確定性可能會引起計算誤差。但是，不同測點的質(zhì)點振速傳感器的靈敏度應(yīng)該趨于同一常數(shù)。所以，u探頭的靈敏度可以定義為所有測點處靈敏度的平均值，即質(zhì)點振速傳感器的靈敏度的計算公式為：

為了便于證明本實施例測量usp探頭的靈敏度的準確性，本實施例進行了下述實驗。

具體以一個幾何尺寸為0.26m×0.15m×0.14m的音箱作為研究對象，測量計算一個Microflown科技公司的usp探頭的靈敏度，為了便于說明，本實驗例中usp探頭中的質(zhì)點振速傳感器記作u探頭、待測聲壓傳感器記作p探頭，其具體的實施方式按如下步驟進行：

步驟a、在廠家提供的標(biāo)定報告中，待測usp探頭的p探頭和u探頭靈敏度分別用式(15)～(18)描述

在式(15)～(18)中，S_ap和分別是p探頭靈敏度的幅值和相位，S_au和分別是u探頭靈敏度的幅值和相位，S_ap@1kHz等于43.9mV/Pa，x方向上的S_au@250Hz等于20.2V/(m/s)，y方向上的S_au@250Hz等于18V/(m/s)，z方向上的S_au@250Hz等于7.5999V/(m/s)，f_cip和C_ip(i＝1,2,3)，以及f_cju和C_ju(j＝1,2,3,4)是轉(zhuǎn)角頻率，公式(15)、公式(16)所需的轉(zhuǎn)角頻率如表1所示：

表1

公式(17)、公式(18)所需的轉(zhuǎn)角頻率如表2所示：

表2

由于無法獲得標(biāo)定報告中所用的參考傳聲器，本發(fā)明的實驗直接使用標(biāo)定報告中p探頭的靈敏度，并用標(biāo)定報告中u探頭的靈敏度作為參考，以對比檢驗本發(fā)明的靈敏度測量方法的有效性和精確性。

步驟b、用Matlab合成信號激勵音箱聲源，該合成信號的頻帶為200～3000Hz，頻率間隔為50Hz。將音箱前表面的中心設(shè)為坐標(biāo)原點，在距離音箱前表面z＝0.145m處，采用待測usp探頭逐點掃描測量一個尺寸為0.5m×0.5m的全息面H，且x和y方向的測量間隔均為0.05m。需要注意的是：采集測量信號時，采集軟件中的p探頭和u探頭靈敏度分別設(shè)置為1mV/Pa和1V/(m/s)，以便獲得未經(jīng)任何標(biāo)定的初始信號：聲壓P^H和κ方向上的質(zhì)點振速U^Hκ，其中，本實驗例κ分別取值為κ＝(1,0,0)、κ＝(0,1,0)和κ＝(0,0,1)，即U^Hκ分別對應(yīng)x、y和z方向上的質(zhì)點振速分量。

步驟c、以全息面H上的測量聲壓P^H為輸入，按公式(4)求解等效源源強列向量的正則化解在獲得等效源源強列向量的基礎(chǔ)上，采用公式(5)計算重建全息面H上每個測點處κ方向上的質(zhì)點振速U^Rκ；另一方面，以全息面H上的測量質(zhì)點振速U^Hκ為輸入，按公式(6) 求解等效源源強列向量的正則化解再利用公式(7)計算重建全息面H上每個測點處的聲壓P^R。

步驟d、采用公式(8)計算第m個測量點的聲阻抗Z_m，進而計算每一個測量點的聲阻抗。

步驟e、采用公式(9)計算第m個測量點的靈敏度，進而計算每一個測量點的靈敏度，然后按公式(10)對所有測量點的u探頭的靈敏度進行求和平均，并確定u探頭的靈敏度。

請參閱圖1～12，為了便于更加直觀說明本實驗例測量的準確性，本實驗例將m個測量點的測得的靈敏度數(shù)值與廠家提供的標(biāo)定報告計算的靈敏度曲線進行對比，對比結(jié)果如下：

如圖1～4所示，在x和y方向上計算的靈敏度與參考靈敏度吻合很好，即本實施例明顯測量準確度較高；而由圖5、圖6可知，z方向上計算的靈敏度與參考靈敏度有所偏差，但偏差范圍較小。

由圖7、圖9、圖11可知，本實驗計算的靈敏度幅值與參考靈敏度幅值在x、y和z三個方向上都吻合較好；而由圖8和圖10可知，本實驗計算的靈敏度相位與參考靈敏度相位在x和y方向上也吻合較好；由圖12中可以看出，雖然實驗計算的靈敏度相位與參考靈敏度相位在高頻處有所誤差，但誤差明顯在可允許范圍。

上述實驗分析結(jié)果驗證了本發(fā)明的靈敏度測量方法在一個普通聲源產(chǎn)生的聲場中可以同時測量計算usp探頭在x、y和z三個方向上u探頭的靈敏度，并取得比較滿意的測量計算精度，適于廣泛推廣。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于近場聲全息技術(shù)，從測量或重建的聲壓和不同方向的質(zhì)點振速中直接獲取不同方向的聲阻抗，并結(jié)合標(biāo)準的參考聲壓傳感器實現(xiàn)usp探頭不同方向靈敏度的同時測量，其提高了測量效率和測量精度。

以上所述本發(fā)明的具體實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思所做出的各種其他相應(yīng)的改變與變形，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。