便携式超声波水声声压计设计(05-100)

　　随着水下超声波技术的发展,在很多应用场所提出了测试其声强的需要。我们采用CS-3型水听器设计便携式超声波声压计。

　　系统设计

　　设计目标要求:实现15-45kHz超声波声压、声强的测量。测量的范围是0-10个大气压(或声压级范围：30-120dB)。测量的误差为在总体的频率范围内大小3dB,对单一频率小于1dB。

　　CS-3型水听器的特性是在10-100kHz,其M参数的不一致性小于3dB。M参数是指水听器受单位声压的作用而产生的输出电压,单位是V/Pa。用分贝表示的M参数是：

　　M(dB )=20log(M/Mo),其中Mo为参考声压Mo=1V/礟a。

　　声强I=P2 /(r*C),其中P为声压,C为声速,r为密度。

　　为满足设计的目标,需进行测量误差分析。

　　对应于在为30-120dB的声压级,在流体中的声强为：

　　I=P*V*cosy

　　自由场中声强为：

　　I=P2/(r*C)

　　声强级的表达式为：

　　I=10log(I/Io)

　　其中Io为10-12 (W/m2),在自由声场中声压级与声强级近似相等。

　　从而可得出(在近似测量中)声强级的不一致性对应于M参数的不一致性小于3dB。

　　从而得出：不必进行频率校正,声压、声强的不一致性可以满足要求。

　　由于一般测的是有效声压,为平均值,所以测量的精度相比起来比较容易实现。跟随、放大、滤波、峰值和频率检测,产生误差主要在滤波、峰值和频率检测。我们所设计的滤波通带不稳定度为1dB、峰值检测的误差小于1dB,但通过进行频率的检测,和时间的平均,进行软件和硬件的补偿可以使误差较好的满足要求。

　　根据上面的分析,考虑到超声波测量的特点,系统框图示于图1。其中预加重考虑隔直和系统频率特性。

　　图1 系统框图