基于位移反馈型振动台的次声发生装置

技术领域

本发明涉及一种次声发生装置， 特别是一种可产生标准次声声压信号、 用 于校准次声传感器的次声发生装置。

技术背景

次声波广泛存在于自然界和人类生产生活中， 如火山喷发、 地震、 核爆炸、 火箭发射、 超音速飞机飞行等均会产生次声波。 近年来， 次声检测在环境保护、 军事监察等领域越来越多地引起了人们的重视 ； 此外， 由于次声波具有传播距 离远、 穿透能力强、 不易察觉等特点， 次声波技术在军事、 医学、 工业生产等 领域的应用也越来越广泛。

次声传感器对于次声波的检测和应用至关重要 。 为正确应用次声传感器， 按照计量检定规程的规定， 必须在出厂前或使用一段时间后， 对次声传感器的 灵敏度等各项性能指标进行校准。 次声传感器校准系统是发展次声传感器技术 的重要保证， 它是通过次声发生装置产生标准次声声压信号 ， 用"绝对法 "或"相 对法"对次声传感器进行校准。 次声发生装置是次声传感器校准系统的重要组 成 部分， 其产生的次声声压信号质量将直接决定对次声 传感器的校准精度。 目前 国内外次声发生装置多由电机或振动台直接带 动活塞做往复运动产生正弦次声 声压， 但由于非线性参数的影响， 所产生的次声声压波形失真度较大， 从而影 响次声传感器的校准精度。

发明内容

为克服现有的次声发生装置存在波形失真度大 的缺点， 本发明提供了一种 波形失真度小， 保障次声传感器的校准精度的基于位移反馈型 振动台的次声发 生装置。

基于位移反馈型振动台的次声发生装置， 包括位移反馈型振动台系统， 次 声发生腔和测量振动台的振动位移的激光测振 仪， 激光测振仪获取的振动位移 计算获得次声发生腔产生的标准声压值；

位移反馈型振动台系统包括信号发生器、 功率放大器、 振动台和位移反馈 组件； 位移反馈组件包括测量振动台的运动部件的位 移波形的位移传感器、 比 较位移波形与信号发生器产生的标准信号的偏 差的比较器和对偏差信号进行计 算处理的控制器， 位移传感器与比较器之间还设有调理位移波形 的信号调理电 路； 位移传感器获取的位移波形经信号调理电路处 理后， 经比较器与信号发生 器产生的标准信号相减得到偏差信号， 偏差信号经控制器计算处理后， 输入功 率放大器， 驱动振动台进行纠偏运动， 从而实现振动台输出位移精确跟踪低失 真的信号源波形， 降低了振动台输出位移波形的失真度， 进而降低次声发生装 置输出声压信号的失真度。

振动台设有允许激光测振仪的测量光通过的光 通道和将测量光反射回激光 测振仪的反射体， 测量光从振动台的尾部入射， 反射体固定在振动台的运动部 件背面；

次声发生腔为密闭腔体， 次声发生腔内设有与腔体适配的活塞， 活塞与振 动台的运动部件的正面固定连接， 被校准次声传感器安装在次声发生腔的腔体 内。

次声发生装置的基本原理是在尺寸远小于媒质 中声波波长的密闭腔中 (尺寸 最大是波长的 1/20)， 通过活塞的运动， 在密闭腔中激励出压力波， 根据绝热气 体定律， 次声发生腔产生声场声压可表示为： ρ = π ~ 公式 1 式中： p为声压； y为空气比热比；； ^为静压； 为活塞的直径； X为活塞运动的 位移； 为活塞平衡位置时的密闭腔的体积。 通过激光测振仪测得活塞位移 X 后， 代入上式可得密闭腔中的标准声压值， 进而实现绝对法校准次声传声器。 本装置中， 由于位移反馈型振动台可输出失真度较低的振 动位移， 根据以上公 式得知， 可在次声发生腔中产生失真度较低的声压信号 。

进一步， 以公式 1 得到的标准声压值作为被校准次声传感器的校 准基准； 或者所述的次声发生腔内还设有标准次声传感 器， 标准次声传感器的输出作为 被校准次声传感器的校准基准。

进一步， 所述的次声发生腔包括腔体、 与腔体适配的活塞、 活塞端密封装 置、 传感器安装密封盖和托持腔体的支座。

进一步， 所述的传感器安装密封盖上开设有容纳被校准 次声传感器的容纳 孔， 容纳孔与被校准次声传感器之间设有传感器密 封套筒。 若腔体内还设有标 准次声传感器， 所述的传感器安装密封盖上还开设有容纳标准 次声传感器的容 纳孔， 容纳孔与标准次声传感器之间设有传感器密封 套筒。

进一步， 活塞端密封装置包括一体化密封膜和将一体化 密封膜固定在次声 发生腔上的环形密封件， 环形密封件包括通过螺钉固定在次声发生腔上 的固定 件和将一体化密封膜压紧于固定件上的环形压 板； 一体化密封膜包括与环形密 封件固接的外圈、 与活塞固接的内圈和连接外圈和内圈的橡胶膜 ， 固定件设有 与外圈适配的第一安装槽， 活塞上设有与内圈适配的第二安装槽。 采用一体化 密封膜密封活塞和腔体， 构成完全密封方式。

或者， 活塞端密封装置不设一体化密封膜， 仅有紧密地安装在腔体上的活 塞套， 仅靠活塞与活塞套之间的配合间隙实现密封， 构成间隙密封方式。 进一步， 所述的次声发生装置还包括安装激光测振仪的 激光测振仪底座， 安装振动台的振动台底座， 安装次声发生腔的腔体安装底板， 和放置测量仪器 及其他工具的工作台面， 腔体安装底板和工作台面均安装在气腔底座上 ； 激光 测振仪通过其底部可调支脚放置在激光测振仪 底座上， 激光测振仪底座通过减 震器放置在地基上， 振动台底座和气腔底座通过可调垫铁安装于地 基上。 测量 仪器和其他工具是指在测量过程中需要使用的 测量工具或辅助用具。

本发明的技术构思是： 采用带有位移反馈组件的振动台驱动活塞在密 闭次 声发生腔腔体内做低位移失真的正弦振动， 进而改变腔体气压， 产生标准低失 真的次声声压信号； 激光测振仪通过振动台的光通道射入测量光来 测量运动部 件的位移大小， 从而得到标准声压值； 次声发生腔中的活塞与腔体采用完全密 封或间隙密封两种形式。

本发明采用较成熟的振动台技术产生次声频率 振动， 并引入位移反馈控制 技术， 降低产生次声声压信号的失真度。 本发明具有所用技术成熟， 可行性强， 便于实现， 校准精度高等优点。

附图说明

图 1为基于位移反馈型振动台的次声发生装置结� �图。

图 2为位移反馈型振动台系统原理图。

图 3为实施例一中振动台与次声发生腔体连接结� �图。

图 4为实施例一中次声发生腔采用的一体化密封� �结构图。

图 5为实施例二中活塞与次声发生腔体连接结构� �。

具体实施方式

实施例一 基于位移反馈型振动台的次声发生装置， 包括位移反馈型振动台系统， 次 声发生腔 3和测量振动台 2的振动位移的激光测振仪 1，激光测振仪 1获取的振 动位移计算获得次声发生腔 3产生的标准声压值。

位移反馈型振动台系统包括信号发生器、 功率放大器和振动台 2 和位移反 馈组件； 位移反馈组件包括测量振动台 2的运动部件 22的位移波形的位移传感 器 12、 比较位移波形与信号发生器产生的标准信号的 偏差的比较器和对偏差信 号进行计算处理的控制器， 位移传感器与比较器之间设有调理位移波形的 信号 调理电路；

位移传感器获取的位移波形经信号调理电路处 理后， 经比较器与信号发生 器产生的标准信号相减得到偏差信号， 偏差信号经控制器计算处理后， 输入功 率放大器， 驱动振动台进行纠偏运动， 从而实现振动台输出位移精确跟踪低失 真的信号源波形， 降低了振动台输出位移波形的失真度， 进而降低次声发生装 置输出声压信号的失真度。

振动台 2设有允许激光测振仪 1输出的测量光 15通过的光通道 16和将测 量光 15反射回激光测振仪 1的反射体 13， 测量光 15从振动台 2的尾部入射， 反射体 13固定在振动台 2的运动部件 22的背面。

次声发生腔 3为密闭腔体， 次声发生腔 3内设有与腔体适配的活塞 31， 活 塞 31与振动台 2的运动部件 22的正面固定连接， 被校准次声传感器 4安装在 次声发生腔 3的腔体 35内。

次声发生装置的基本原理是在尺寸远小于媒质 中声波波长的密闭腔中 (尺寸 最大是波长的 1/20)， 通过活塞的运动， 在密闭腔中激励出压力波， 根据绝热气 体定律， 次声发生腔产生声场声压可表示为： 4 ₀

式中： p为声压； y为空气比热比；； ^为静压； 为活塞的直径； X为活塞运动的 位移； 为活塞平衡位置时的密闭腔的体积。 通过激光测振仪测得活塞位移 X 后， 代入上式可得密闭腔中的标准声压值， 进而实现绝对法校准次声传声器。 本装置中， 由于位移反馈型振动台可输出失真度较低的振 动位移， 根据以上公 式得知， 可在次声发生腔中产生失真度较低的声压信号 。

以公式 1得到的标准声压值作为被校准次声传感器 4的校准基准， 仅被校 准次声传感器 4安装在次声发生腔 3的腔体 35内时， 通过检测被校传感器 4输 出电压， 并结合标准声压值即可实现对次声传感器的绝 对校准。

当标准次声传感器和被校准次声传感器同时安 装在次声发生腔 3腔体 35内 时， 将标准次声传感器输出的电压作为被校准次声 传感器的校准基准， 通过同 时检测标准次声传感器和被校准次声传感器的 输出电压， 并通过计算即可实现 对次声传感器的相对校准。

所述的振动台 2为电磁振动台， 振动台 2包括励磁部件 21、运动部件 22和 导向部件 23; 励磁部件 21为由永磁体或电磁铁构成的磁路结构， 可在工作气隙 24内产生恒定磁场，当工作气隙 24内的运动部件 22的电枢线圈 25中通过正弦 电流时， 由电磁感应产生的安培力驱动运动部件进行正 弦运动， 所述的导向部 件 23可对运动部件 22进行支撑和导向， 限制其轴向运动以外的横向运动， 本 实施例中采用气浮轴承作为振动台运动部件的 导向部件。

所述的位移传感器 12为光栅尺， 光栅尺的读数头固定在电磁振动台的导向 部件 23上， 光栅尺标尺安装在振动台 2的运动部件 22上。

振动台 2尾部设有允许激光测振仪的测量光入射的小� �， 振动台 2内部还 设有贯通振动台的励磁部件 21和运动部件 22且允许测量光通过的通孔， 振动 台 2尾部的小孔、贯通励磁部件 21和运动部件的通孔形成所述的允许测量光 15 通过的光通道 16。 固定在振动台 2的运动部件 22背面上的反射体 13为反射镜 或者反射膜， 反射体 13反射的测量光 15经光通道 16反射回激光测振仪 1， 以 检测振动台 2的运动部件 22的位移。

所述的次声发生腔 3包括腔体 35、 与腔体 35适配的活塞 31、 活塞端密封 装置 32、 传感器安装密封盖 33和托持腔体的支座 34和 36。 活塞 31与振动台 的运动部件 22的正面相连， 振动台的运动部件 22驱动活塞 31在腔体 35内运 动； 活塞 31、 活塞端密封装置 32、 传感器安装密封盖 33和腔体 35构成密封腔 体。

所述的传感器安装密封盖 33上开设有容纳被校准次声传感器 4的容纳孔， 容纳孔与被校准次声传感器 4之间设有传感器密封套筒 41。 被校准次声传感器 4插入传感器密封套筒 41中， 传感器密封套筒 41插入容纳孔中。若腔体内还设 有标准次声传感器， 所述的传感器安装密封盖上还开设有容纳标准 次声传感器 的容纳孔， 容纳孔与标准次声传感器之间设有传感器密封 套筒。

活塞端密封装置 32包括一体化密封膜 14和将一体化密封膜 14固定在次声 发生腔 3 上的环形密封件， 环形密封件包括通过螺钉固定在次声发生腔上 的固 定件 321和将一体化密封膜压紧于固定件上的环形压 板 322; —体化密封膜 14 包括与环形密封件固接的外圈 141、 与活塞 31固接的内圈 142和连接外圈 141 和内圈 142的橡胶膜 143， 固定件设有与外圈 141适配的第一安装槽， 活塞 32 上设有与内圈 142适配的第二安装槽。 采用一体化密封膜 14密封活塞 31和腔 体 35， 构成完全密封方式。

所述的次声发生装置还包括安装激光测振仪 1 的激光测振仪底座 11， 安装 振动台 2的振动台底座 9，安装次声发生腔 3的腔体安装底板 8和放置测量仪器 及其他工具的工作台面 6;腔体安装底板 8和工作台面 6均安装在气腔底座 7上； 激光测振仪通过其底部可调支脚 18放置在激光测振仪底座 11上， 激光测振仪 底座 11通过减震器 17放置在地基 10上、 振动台底座 9和气腔底座 7通过可调 垫铁 5安装于地基 10上。 通过可调垫铁 5来调整振动台底座 9和腔体安装底板 8的水平度和高度，通过激光测振仪底部可调� �脚 18可调整测量光 15的水平度 和高低， 最终保持激光测振仪 1输出测量光 15、振动台 2运动部件 22和次声发 生腔 3同轴。

本发明的技术构思是： 采用带有位移反馈组件的振动台 2驱动活塞 31在密 闭次声发生腔体 35内做低位移失真的正弦振动， 进而改变腔体气压， 产生标准 低失真的次声声压信号；激光测振仪 1通过振动台 2的光通道 16射入测量光 15 来测量运动部件 22的位移大小， 从而得到标准声压值。

本发明采用较成熟的振动台技术产生次声频率 振动， 并引入位移反馈控制 技术， 降低了产生的次声声压信号的失真度。 本发明具有所用技术成熟， 可行 性强， 便于实现， 校准精度高等优点。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于： 在次声发生腔腔体 35的活塞安装端设有 与腔体 35紧密配合的活塞套 37，而仅靠活塞套 37和活塞 31的配合间隙实现密 封， 其余结构都相同。

所述的活塞密封装置仅包含与次声发生腔腔体 35紧密配合的活塞套 37，靠 活塞套 37与活塞 31 的配合间隙实现密封， 而不采用一体化密封膜， 构成间隙 密封方式。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思 的实现形式的列举， 本发明 的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述 的具体形式， 本发明的保护范围 也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够 想到的等同技术手段。