脉冲法水听器灵敏度测量系统设计
摘要
水听器广泛应用于水声测量中，但是在使用前需要对其灵敏度进行校准，而采用传
统校准方法对大批量水听器进行校准会耗费工作人员大量时间和精力。基于比较法和脉
冲法的校准原理，本文设计了一套在空气中和水中都可以进行水听器灵敏度校准的测量
系统。本套系统应用于空气中对大批量水听器进行快速测量，筛选出一批灵敏度正常的
水听器，之后在消声水池中，同样利用本系统再进行更加精准的测量校准，能够极大程
度提高工作效率。
根据测量系统的整体设计需求，硬件系统分为三个模块：数模转换模块、信号采集
模块和数字控制模块。数模转换模块负责产生幅度、频率和脉冲宽度都可调的脉冲信号。
信号采集模块具有四个采集通道，负责实现信号调理、信号采集等功能。数字控制模块
负责实现对数模转换模块和信号采集模块的控制功能。数字控制部分的主控芯片FPGA
与上位机采用USB2.0接口完成双向通信。
本套系统软件设计包括FPGA程序设计和上位机显控软件设计，FPGA程序包括
ADC模数转换进程、USBSlaveFIFO异步读写进程、模拟开关通断进程和DAC数模转
换进程，通过解析上位机的指令启动信号发生、信号采集、数据上传等工作。上位机显
控软件作为用户控制整个系统的窗口，把采集上来的数据进行处理并绘制成灵敏度级曲
线，实时计算、显示待测水听器校准结果。
对每个模块功能及重要指标进行测试，指标包括各通道幅相一致性、等效输入噪声、
各通道间隔离度、数据传输速率等。测试结果各模块功能正常，各指标满足要求。本系
统移交给换能器研制团队使用，在消声水池和杭州新安江上多次进行外场实验，在
500Hz-10kHz范围内，对BK公司810x系列水听器和140个自研水听器分别进行了灵
敏度校准。系统得到的校准结果与各水听器抽样送检时计量单位给出的校准结果对比分
析后可得出结论：在一定频率范围内，本系统在空气中测量结果误差为2dB左右，在水
中测量结果误差为1dB左右。长时间使用测试表明，测量系统工作稳定可靠。
关键词：水听器灵敏度；空气中校准；水中校准；脉冲法校准；FPGA
脉冲法水听器灵敏度测量系统设计
ABSTRACT
Hydrophonesarewidelyusedinhydroacousticmeasurements,buttheirsensitivityneeds
tobecalibratedbeforeuse,andcalibratinglargequantitiesofhydrophonesusingtraditional
calibrationmethodscanconsumealotofstafftimeandeffort.Basedonthecalibrationprinciple
ofcomparativemethodandpulsemethod,thispaperdesignsameasuringsystemthatcan
performhydrophonesensitivitycalibrationinbothairandwater.Thissystemisusedintheair
toquicklyandroughlymeasurealargenumberofhydrophones,screenoutabatchof
hydrophoneswithnormalsensitivity,andthenintheanechoicpool,thesystemisalsousedto
carryoutmoreaccuratemeasurementandcalibration,whichcangreatlyimprovework
efficiency.
Accordingtotheoveralldesignrequire