新型MEMS换能器水下噪声测量系统

新型mems换能器水下噪声测量系统
技术领域
1.本发明涉及海洋技术领域，尤其涉及水声工程和声纳技术，具体涉及一种新型mems换能器水下噪声测量系统。


背景技术：

2.进入 21 世纪以后，由于现代科技的迅猛发展，人们的海洋意识进一步觉醒，许多行业对海洋探索的力度不断加大，海洋的经济价值和战略地位也直线上升，对领海的争夺也大有愈演愈烈之势，水下航行器在保卫海洋权益方面一直发挥着不可替代的作用。
3.声隐身性能作为衡量水下航行器自身性能的一个重要的技战术指标，一直备受关注，良好的声隐身性能不仅可以提高水下航行器的生存能力，而且可以充分发挥隐蔽性高的优势，提高威慑力，辐射噪声测量作为衡量水下航行器声隐身性能的一种有效途径，是水下航行器的一项重要测试内容。水下航行器辐射的噪声与很多因素都有关联，如设计水平、材料性能、隔振缓冲措施等，其辐射噪声无法避免，因此对水下航行器辐射噪声进行准确测量就显得格外重要。
4.现代科技的发展使得水下航行器辐射噪声级迅速下降而且辐射信号的能量主要集中在低频，因此对低噪声水下航行辐射噪声以及海洋噪声进行采集、存储与分析的工作是开展上述工作的前提。近年来，世界各国加强了对低噪声水下航行辐射噪声以及海洋噪声采集装置的研究和开发工作。因此，如何实现准确、高效、长时间的采集和存储低噪声水下航行辐射噪声以及海洋噪声，并能够对数据进行分析研究，是本领域技术人员等待解决的问题。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明提供一种新型mems换能器水下噪声测量系统，所述测量系统能够长时间、连续的采集低噪声水下航行辐射噪声以及海洋噪声，并对采集到的信号进行放大、滤波、转换和存储；能够达到深水复杂海洋环境下噪声测试评估需求，可以测量舰船噪声及其时频域分析、计算辐射噪声频带声源级、计算声压谱源级、计算噪声线谱声源级以及计算线谱频率和幅值。
6.技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的新型mems换能器水下噪声测量系统，包括同轴封装姿态自校准mems矢量水听器、三维电子罗经模块和采集存储系统模块，将采集到的噪声信息记录到大容量存储器里面，试验结束后将数据读出，导入相应的软件进行噪声测量分析。所述同轴封装姿态自校准mems矢量水听器通过水密接插件与所述采集存储系统模块相连，实现3路模拟信号的采集与存储，所述三维电子罗经模块与采集存储系统模块相连，并与mems矢量水听器封装到一起，实现实时监测水听器在水下的姿态信息的采集，所述采集存储系统模块通过usb3.0接口与pc机连接，不仅通过上位机实现对系统的自检测与配置功能，而且实现数据的快速导出。
7.通过采用上述方案，所述新型mems换能器水下噪声测量系统可以用于低噪声水下
航行辐射噪声以及海洋噪声，将声信号转换为电信号，对采集到的声信号进行初步处理并存储到sd卡中，并能够对海洋噪声数据进行处理分析，测量舰船噪声及其时频域分析、计算辐射噪声频带声源级、计算声压谱源级、计算噪声线谱声源级以及计算线谱频率和幅值。
8.mems矢量水听器，用于采集范围内的水下声信号，包括接收点处的声压和振速信号，将其转换为模拟信号形式，将模拟信号发送给所述采集存储系统模块；mems矢量水听器，安装在耐压电子舱外部，通过水密接插件与所述耐压电子舱相连接。通过水密接插件，为所述mems矢量水听器提供工作电源并接收所述mems矢量水听器采集到的声信号，对声信号初步处理后进行sd卡存储，水密接插件的使用也方便更换水听器以及系统的运输；所述测量系统也通过水密接插件与外部设备进行通信、接收指令和发送数据。
9.作为优选，所述信号调理电路部分由放大与滤波以及调理电路供电电路三部分组成；所述采集存储系统由fpga、arm、模数转换模块、存储模块、电源模块、usb模块、接口电路模块组成，模块与模块间电性相连。
10.作为优选，所述放大与滤波电路模块将mems矢量水听器采集到的声信号进行放大滤波，所述放大电路模块中放大倍数可以调节。
11.作为优选，所述模数转换模块接收所述信号调理电路输出的声压信号和振速信号，使得信号从模拟信号转换为数字信号，并将信号传递到所述fpga模块，所述模数转换模块使用了高精度adc芯片中的3路通道，采用spi接口与所述fpga模块连接。
12.作为优选，所述三维电子罗经放置在耐压电子舱外，与mems矢量水听器进行同轴封装，用于监测水听器在水下的姿态。系统选用迈科传感技术有限公司的倾角补偿三维电子罗盘，可以同时采集到倾斜角、横滚角、航向角的角度信息，所述传感器通过rs232接口与主控进行通信，完成指令接收和角度回传等功能。
13.本系统的信号调理电路部分由放大与滤波以及调理电路供电电路三部分组成，放大电路部分采用ti公司的低噪声、低失真仪表放大器进行对微弱电压信号的放大。滤波电路部分选用adi公司的双通道低噪声运放对信号进行低通滤波。
14.作为优选，所述三维电子罗经模块的输出数据的采用自容式存储，与噪声数据实现精准同步存储，在进行低噪声水下航行辐射噪声以及海洋噪声的声信号采集存储时实时采集矢量水听器的水下姿态，在后期的数据处理中可以减小计算误差。
15.作为优选，所述新型mems换能器水下噪声测量系统的整体供电使用双节锂电池充电管理电路通过对两串四并联的锂电池进行控制对整个系统进行供电。电池电压为8.4v。
16.作为优选，所述调理电路供电电路，将锂电池所供的8.4v直流电经过dc-dc模块电路转换后对传感器与信号调理电路进行供电。
17.作为优选，所述数字模块供电，将锂电池所供直流电通过同步降压转换器及线性稳压器进行转换，并使用降压芯片稳压至3.3v和5v从而对fpga、stm32以及ad转换模块进行供电。
18.作为优选，所述存储模块，通过stm32对sd卡进行控制，存储fpga从模数转化后采集到的三路模拟声信号及电子罗经数据，同时控制上位机对sd中所存储的数据的读取。
19.有益效果：mems矢量水听器用于采集低噪声水下航行辐射噪声以及海洋噪声等水下声信号，并将经过信号调理电路处理的信号传递到采集存储模块；采集存储模块由外部
提供的锂电池进行供电；对mems矢量水听器采集的声信号进行放大滤波、模数转换后存储到sd卡中；对三维电子罗经实时监测的水听器的姿态信息与噪声数据实现精准同步后也存储到sd卡中；噪声测量系统接收上位机发送的指令信号，进行初始化操作，并可通过rs232接口将数据传递给上位机。采用本发明的新型mems换能器水下噪声测量系统能够完成对低噪声水下航行辐射噪声以及海洋噪声的声信号采集存储；并且可以通过三维电子罗经模块可以实时监测水听器的姿态信息，可以更好的适用于深水复杂海洋环境下噪声测试评估需求，可以测量舰船噪声及其时频域分析、计算辐射噪声频带声源级、计算声压谱源级、计算噪声线谱声源级以及计算线谱频率和幅值。
附图说明
20.图1是根据示例性实施例的新型mems换能器水下噪声测量系统的结构示意图。
21.图2是根据示例性实施例的采集存储系统构成框图。
22.图3是根据示例性实施例的同轴封装姿态自校准mems矢量水听器结构示意图。
具体实施方式
23.实施例：本发明的实施例参照图1所示，新型mems换能器水下噪声测量系统包括：同轴封装姿态自校准mems矢量水听器、三维电子罗经模块和采集存储系统模块。
24.mems矢量水听器采用同轴封装姿态自校准mems矢量水听器，具有体积小、矢量性、批量制造、一致性好且成本低等优势，对于低频段信号拥有良好的探测性能，此外单矢量水听器测量系统可以同时测量接收点处的声压信息和振速信息，通过对声压和振速的处理，可以计算有功声强，利用各向同性噪声相互抵消来提高信噪比。
25.在现有mems矢量水听器基础上，采用与三维电子罗经采用同轴封装的改进，将 mems矢量水声传感器密封固定在托台顶面，所述托台固定安装在罗经承载仓帽上，在罗经承载仓内固定安装电子罗经，所述电子罗经的指北方向与mems矢量水声传感器的x轴方向重合，并通过水密接插件与采集存储模块相连，mems矢量水听器用于采集所在位置的水下声信号，包括接收点处的声压和振速信号，并将噪声信号转换为电信号，将信号发送给采集存储模块。
26.mems矢量水听器与三维电子罗经通过水密接插件连接，用于为mems矢量水听器和三维电子罗经提供工作电源，并接收mems矢量水听器和罗经发送的信号，经过信号调理电路，将采集到的水声信号进行放大滤波，并进行sd卡存储。
27.对同轴封装mems示例水听器通过水密接插件与耐压电子舱相连接。通过接插件对mems矢量水听器以及三维电子罗经进行供电，同时也负责数据的传输。
28.mems矢量水听器的作用是采集低噪声水下航行辐射噪声以及海洋噪声的声信号，进行声电转换，变成模拟信号，传送给采集存储模块，将数据存储到sd卡。
29.mems矢量水听器与三维电子罗经采用同轴封装的方式，并与噪声数据实现精准同步存储，将水听器的姿态信息进行实时存储，减小了计算误差。通过水密接插件与耐压电子舱进行连接，极大的方便了水听器的更换与运输。
30.参照图2所示，采集存储系统封装在耐压电子舱内，主要包括fpga、arm、数据采集
模块、存储模块、电源模块、usb模块、接口电路模块和三维电子罗经模块。其中，arm作为系统的cpu，用来与上位机进行通信，并完成控制系统延时启动、低功耗状态待机指令检测和sd卡的读写等工作；fpga主要负责与上位机之间通过usb接口实现数据回读；电源模块由锂电池及其充电电路和相应电压转换模块组成；数据采集模块的核心为a/d转换，实现对声压信号和振速信号的采集；存储模块选用sd卡作为存储芯片，将a/d采集回的数据存储在sd卡中；用三维电子罗经来实时监测水听器在水下的姿态信息并一起存储在sd卡中；usb模块主要负责数据回读，当系统回收后通过上位机下发指令，sd卡中的数据将通过高速usb口回传至上位机中，以供后期进行数据处理；另外硬件部分还包括一些系统的必要接口电路，如指令交互接口、数据传输接口和供电接口等。
31.采集存储系统的主控模块由fpga和arm构成。fpga作为主要芯片。与电子罗经以及ad采样模块进行连接以控制ad模块的工作以及对电子罗经的数据采集并将采集号的数据提供给后续的数据存储模块。arm模块是采用stm32控制上位机与系统进行通信从而控制系统的工作状态同时控制数据写入到sd卡当中进行储存。
32.数据采集部分使用了高精度adc芯片的其中3路通道，采用spi接口与fpga模块连接。
33.所示sd卡存储通过stm32对sd卡进行控制，从而存储fpga从ad采集到的三路数据及电子罗经数据,同时控制上位机对sd中所存储的数据的读取。电子罗经数据的自容式存储，与噪声数据实现精准同步存储。
34.系统的整体供电使用双节锂电池充电管理电路，通过对四节并联方式的锂电池进行控制对整个系统进行供电，电池电压为8.4v。
35.传感器供电将锂电池所供的8.4v直流电经过dc-dc模块电路转换后对传感器与信号调理电路进行供电。
36.数字模块供电将锂电池所供直流电通过同步降压转换器以及线性稳压器进行转换，并使用降压芯片将5v电压稳压至3.3v从而对fpga、stm32以及ad转换模块进行供电。
37.基于mems换能噪声测量系统具体工作流程为：在系统进行吊放入水前，先在岸上使用上位机通过水密接插件的通信线缆控制系统延时一定时长后开始启动工作，然后将通信线缆拔掉，接上水密接插件堵头。准备就绪后，根据需求将噪声测量系统的电子舱悬挂放置于水下指定深度，电子舱内部装有电路板和锂电池，为保证采集存储板在深水环境下可以长时间的正常工作，电子舱需要具有良好的水密性和耐压性，并且内部需要携带足够冗余量的锂电池对电路板进行供电。
38.mems矢量水听器探测到的声音信号先进行放大滤波，再进行a/d转换，接着写入到存储器中。测试结束后收回电子舱，通过高速usb接口将数据回传到上位机，后续再利用数据分析软件对噪声信息进行分析与处理。系统未触发工作时处于低功耗状态有效的节约了锂电池容量。
39.同轴封装姿态自校准mems矢量水听器如图3所示，包括托台2、罗经承载仓帽3、罗经承载仓4、管体5、线缆接口6、锁紧扣7，mems矢量水声传感器放置在托台2上并用甲乙胶1:1配比后对传感器进行密封固定；压电陶瓷管被套在托台的圆管处，并用甲乙胶1:1混合后固定在托台与罗经承载仓帽之间；罗经放置在罗经承载仓4内， mems矢量水声传感器、压电陶瓷管、罗经的导线从罗经承载仓4的引线孔处引出导线，与管体5腔内的微弱信号调理电
路相连接，再通过管体5底部通孔处与线缆接口6处的缆线相连接；锁紧扣7用来保证缆线不会滑落。
40.结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。