截?cái)鄥⒘筷嚰夹g(shù)用于水聲材料低頻聲學(xué)性能測(cè)量

易燕 張軍 張權(quán) 李水 葉新隆 吳友亮（第七一五研究所，杭州，310012）

隨著水聲技術(shù)的不斷發(fā)展，聲吶裝備不斷朝著低頻，大潛深方向發(fā)展，對(duì)配套的水聲無源材料聲學(xué)性能也提出了更高的要求。自然地，如何有效地評(píng)價(jià)水聲材料的低頻耐壓聲學(xué)性能也成為一個(gè)亟待解決的課題。傳統(tǒng)的大面積水聲材料試樣聲性能測(cè)試一般采用脈沖調(diào)制正弦信號(hào)，為了避免試樣邊緣衍射信號(hào)的干擾，要求試樣在與聲軸垂直的平面上的投影的最小長度不小于5倍的波長[1]。如對(duì)于2 kHz頻率，垂直入射測(cè)試時(shí)，試樣長寬尺寸必須大于等于3.75 m。這在實(shí)際測(cè)試工作中是不現(xiàn)實(shí)的。國內(nèi)外學(xué)者做了很多努力，對(duì)傳統(tǒng)的正弦脈沖法進(jìn)行了改進(jìn)，如美國USRD實(shí)驗(yàn)室提出了ONION法[2]和瞬態(tài)抑制法等技術(shù)[3]，法國提出了采用加權(quán)基陣聲源和平面薄膜水聽器的測(cè)量方法[4]。國內(nèi)文獻(xiàn)[5]報(bào)道了采用寬帶脈沖壓縮技術(shù)和指向性換能器基陣將試樣尺寸要求減小到2倍波長，文獻(xiàn)[6]指出設(shè)計(jì)具有一定指向性的水聽器也能有效地抑制樣品邊緣的衍射干擾。

雖然可以通過設(shè)計(jì)指向性換能器基陣降低入射到樣品邊緣的聲信號(hào)，從而降低試樣測(cè)試頻率，但超低頻的指向性換能器非常笨重，尺寸驚人，操作吊掛費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很不經(jīng)濟(jì)，它并不適用于水聲材料低頻測(cè)試。而參量陣則可以解決該問題。參量陣換能器具有頻率低、頻帶寬、高指向性、無旁瓣和小尺寸的特點(diǎn)。本文將截?cái)鄥⒘筷嚰夹g(shù)用于水聲材料低頻聲學(xué)性能測(cè)量，并在Φ4000 mm×12000 mm的高壓消聲水池中進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)量水壓：常壓到4.5 MPa，測(cè)量頻率：2～30 kHz，以不銹鋼板作為標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1 截?cái)鄥⒘筷囋O(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

截?cái)鄥⒘筷囉筛哳l換能器和聲學(xué)濾波器組成。其工作原理是：高頻換能器發(fā)出兩種不同頻率的高頻簡諧波，由于相互間的非線性作用，在高頻聲波的作用區(qū)產(chǎn)生差頻波。經(jīng)過聲學(xué)低通濾波器后，高頻原波被吸收掉，僅剩下頻率較低的差頻波透過聲學(xué)濾波器。

截?cái)鄥⒘筷囋O(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)為低頻和耐壓。為了滿足窄波束的指向性要求，高頻換能器選用Φ120 mm的輻射面，選用元件的諧振頻率為420 kHz。研制完成的高頻換能器如圖1所示，該換能器耐壓6.0 MPa，測(cè)試其電聲參數(shù)，諧振頻率處發(fā)送電壓響應(yīng)級(jí)為191.23 dB，聲源級(jí)為211.89 dB。換能器420 kHz指向性曲線見圖 2，由圖可以計(jì)算換能器發(fā)射420 kHz頻率時(shí)，2θ-3dB約為 2.6°。

圖1 高頻換能器實(shí)物

圖2 高頻換能器420 kHz指向性

聲學(xué)濾波器的設(shè)計(jì)首先要滿足聲學(xué)要求。一般要求截?cái)鄥⒘筷嚨牟铑l波頻段（本系統(tǒng)為 2～30 kHz）插入損失<5 dB，在原波頻段區(qū)域插入損失與差頻波頻段的插入損失之差>25 dB。此外，聲學(xué)濾波器還需滿足耐壓條件。

系統(tǒng)選擇橡膠、聚氨酯作為聲學(xué)濾波器構(gòu)件基材，選擇與水失配的耐壓材料作為輔助基材，組成“耐壓層＋損耗層＋耐壓層”的夾心復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過選擇材料，調(diào)節(jié)材料厚度、層間距等因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其聲學(xué)性能滿足要求。研制的聲學(xué)濾波器尺寸為500 mm×600 mm×6 mm，該型聲學(xué)濾波器插入損失試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 聲學(xué)濾波器插入損失測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的截?cái)鄥⒘筷嚥铑l聲源級(jí)如表 1所示。差頻指向性如圖4所示。參量陣差頻為2 kHz、5 kHz、10 kHz、30 kHz時(shí)，2θ-3dB分別約為 10.5°、9.3°、7.5°、5.9°。

表1 截?cái)鄥⒘筷嚥铑l聲源級(jí)

圖4 截?cái)鄥⒘筷嚥铑l指向性

綜上所述，該型參量陣較之普通的指向性換能器基陣，具有小尺寸、尖銳指向性等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.2 發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用鐘形包絡(luò)信號(hào)產(chǎn)生原頻信號(hào)。采用不同頻率的正弦波調(diào)制可得到不同頻率的次級(jí)波，差頻次級(jí)波實(shí)際上相當(dāng)于原頻波的解調(diào)。其信號(hào)格式與波形如下：

其中，fc為包絡(luò)頻率，fs為載波頻率。

對(duì)于本系統(tǒng)，高頻載波頻率選擇500 kHz（該頻率點(diǎn)，換能器與功放匹配后效率最高），調(diào)制包絡(luò)頻率分別選擇2 kHz、5 kHz、15 kHz，則經(jīng)過設(shè)計(jì)的參量陣系統(tǒng)，水聽器可以分別接收到2～4 kHz、4～10 kHz、10～30 kHz的差頻寬帶信號(hào)，覆蓋了2～30 kHz頻段。產(chǎn)生的差頻波形信號(hào)及頻譜分析結(jié)果分別見圖5～圖7。

圖 5 參量陣發(fā)射的2～4 kHz差頻信號(hào)

圖 6 參量陣發(fā)射的4～10 kHz差頻信號(hào)

圖7 參量陣發(fā)射的10～30 kHz差頻信號(hào)

2 測(cè)量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

用截?cái)鄥⒘筷嚰夹g(shù)進(jìn)行水聲材料聲性能的測(cè)試試驗(yàn)在杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所Φ4000 mm×12000 mm的高壓消聲水池中進(jìn)行。高壓消聲水池能變溫變壓，可模擬深海環(huán)境。試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖8所示。在計(jì)算機(jī)控制下，信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源，輸出鐘形包絡(luò)高頻信號(hào)到大功率放大器，驅(qū)動(dòng)參量陣高頻換能器，輻射高聲強(qiáng)聲波，在聲學(xué)濾波器前水域產(chǎn)生非線性作用，形成差頻聲波，透過聲學(xué)濾波器作為試樣的測(cè)量入射信號(hào)，試樣板前后的水聽器接收直達(dá)信號(hào)和板的反射、透射信號(hào)到前置放大器，經(jīng)調(diào)理后輸入信號(hào)采集分析系統(tǒng)，經(jīng)聲學(xué)計(jì)算得到試樣板的反射系數(shù)（回聲降低）、透射系數(shù)（插入損失）以及吸聲系數(shù)。

圖8 試驗(yàn)系統(tǒng)組成原理框圖

2.2 測(cè)量原理和過程

2.2.1 聲壓反射系數(shù)（回聲降低）的計(jì)算

反射測(cè)量水聽器1布放在能將直達(dá)信號(hào)和反射信號(hào)能在時(shí)域上隔開的位置，采集直達(dá)信號(hào)pi(t)和樣品反射信號(hào)pr(t)。由式（2）和（3）計(jì)算得到測(cè)量頻率范圍內(nèi)材料樣品的反射系數(shù)R(f)和回聲降低ER。其中L為參量陣有效聲中心到樣品的距離，d為反射測(cè)量水聽器到樣品的距離。

2.2.2 聲壓透射系數(shù)（插入損失）的計(jì)算

由反射測(cè)量水聽器 1采集直達(dá)信號(hào)pi(t)，經(jīng)距離修正及兩個(gè)水聽器接收靈敏度的修正，獲取透射測(cè)量水聽器處參考信號(hào)pi'(t)。由透射測(cè)量水聽器2采集樣品的透射信號(hào)pτ(t)，由式（4）和（5），計(jì)算得到測(cè)量頻率范圍內(nèi)材料樣品的透射系數(shù)T(f)和插入損失IL。其中為K(f)為修正因子。

2.2.3 吸聲系數(shù)的計(jì)算

由上述計(jì)算得到的聲壓反射系數(shù)R(f)和聲壓透射系數(shù)T(f)f，用式（6）計(jì)算吸聲系數(shù)。

3 測(cè)量結(jié)果

我們選擇尺寸為1000 mm×1000 mm×6 mm的不銹鋼板作為試樣，分別在常壓對(duì)聲壓透射系數(shù)進(jìn)行測(cè)試；在常壓、0.5 Mpa、1 Mpa、2 Mpa、3 Mpa、4.5 Mpa壓力下，對(duì)試樣的聲壓反射系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（如圖 9～圖10）。透射系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論結(jié)果吻合得很好，在低頻段稍有波動(dòng)，主要是因?yàn)榈皖l段參量陣的指向性比高頻寬，樣品邊緣的衍射信號(hào)不能有效隔離。反射系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論結(jié)果吻合得也較好，高頻段波動(dòng)較大，主要是因?yàn)闇y(cè)試使用的水聽器尺寸為Φ20 mm，對(duì)高頻信號(hào)有阻擋作用，進(jìn)而影響了測(cè)試結(jié)果。此外，不銹鋼板的聲學(xué)性能基本不隨壓力的變化而變化，符合實(shí)際規(guī)律。總之，測(cè)量結(jié)果和理論值吻合得很好，說明截?cái)鄥⒘筷嚰夹g(shù)用于水聲材料聲學(xué)性能測(cè)量的可行性。

圖9 常壓下不銹鋼板透射系數(shù)測(cè)量和理論計(jì)算結(jié)果

圖10 不同壓力下不銹鋼板反射系數(shù)測(cè)量和理論計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

雖然截?cái)鄥⒘筷囀峭ㄟ^犧牲聲源級(jí)來達(dá)到小尺寸、低頻尖銳指向性的目的，但對(duì)于聲壓相對(duì)測(cè)試（如水聲材料反聲、透聲性能測(cè)試），只要達(dá)到-20 dB的信噪比，適當(dāng)降低聲源級(jí)并不會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。本文的試驗(yàn)結(jié)果也充分說明了截?cái)鄥⒘筷嚰夹g(shù)適用于大面積水聲材料性能低頻測(cè)試，且優(yōu)勢(shì)明顯。

[1] 李水,羅馬奇,趙洪,等. GB/T 14369—2011 聲學(xué) 水聲材料樣品插入損失、回聲降低和吸聲系數(shù)的測(cè)量方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2012.

[2] PIQUETTE J C. The ONION method: A reflection coefficient measurement technique for thick underwater acoustic panels[J]. JASA, 85(3): 1029-1040P.

[3] PIQUETTE J C. Some new techniques for panel measurements[J]. JASA,95(6): 3227-3236.

[4] AUDOLY C, GIANGRECO C. Improvement of the measurement of the transmission coefficient of panels at normal incidence using surface receivers[J]. Acoustique,1990(3):369-379.

[5] 李水, 繆榮興. 水聲材料性能的自由場寬帶壓縮脈沖疊加法測(cè)量[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2000,(5).

[6] 易燕,李水,羅馬奇,等. 水聲材料大樣反射系數(shù)測(cè)量中不同測(cè)量方法的特點(diǎn)比較[J]. 聲學(xué)與電子工程, 2009, (3).