水聲材料聲學參數(shù)及其聲管測量方法

陳建平，何元安，黃愛根

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水聲材料聲學參數(shù)及其聲管測量方法

陳建平，何元安，黃愛根

(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094)

簡要闡述了水聲材料產品研制過程中水聲材料及其聲學參數(shù)測量的重要意義和存在的問題，詳細論述了水聲材料聲學參數(shù)分類及相應的測量方式，歸納了脈沖法、駐波法和行波法聲管各自的測量原理和適用的條件，以及聲管測量技術的發(fā)展趨勢，最后總結了通過聲管測量水聲材料聲學參數(shù)時，對測量聲管和被測量樣品的一般要求。

水聲材料；聲學參數(shù)；聲管；測量方法

0 引言

水中聲波的產生、傳播和檢測都離不開聲波傳播的介質——水聲材料。因此，對水聲材料聲學參數(shù)的測量是水聲學研究的基礎和關鍵。在設計、制造和使用水聲材料時，都離不開對水聲材料聲學性能參數(shù)的測量，通過測量其聲學性能參數(shù)來標定其性能及使用價值，并通過測量來統(tǒng)一表征其基本性能參數(shù)的量值[1]。

實驗室中水聲材料聲學性能參數(shù)測量，大多通過水聲聲管測量系統(tǒng)來完成。因為在水聲領域關注的頻段，其它測量方法按照理論和工程實際要求存在樣品尺寸大，測量條件難以達到，或者測量代價太高等問題。而聲管測量，以小樣品的測量來近似橫向無限大(10個波長以上)樣品的測量結果[2]，還可實現(xiàn)加壓測量，模擬深水的靜水壓力環(huán)境條件。

半個多世紀來，水聲技術的應用前景日益廣闊，水聲材料成為研究熱點，人們紛紛采用聲管法來測量水聲材料的聲學參數(shù)和聲吸收、聲反射性能。但是，可以注意到，某些聲管測量系統(tǒng)在測量水聲材料的不同聲學參數(shù)過程中，沒有明確、統(tǒng)一的測量要求，測量結果無法統(tǒng)一和對比，有的測量只關心測量結果數(shù)值的大小，不說明參數(shù)的測量條件。上述水聲材料聲學參數(shù)測量中的欠規(guī)范、欠準確、欠科學性的現(xiàn)象，輕則造成水聲材料研究篩選過程中的誤判，重則導致由水聲材料構造的產品達不到預期的使用效果，甚至產品功能失效。

綜上所述，對于水聲材料的聲學參數(shù)及其物理意義，以及水聲材料聲管測量方法和測量條件，有必要予以厘清和說明。本文將就水聲材料聲學參數(shù)、聲管測量技術發(fā)展趨勢、聲管測量水聲材料參數(shù)要求等幾個方面進行簡要論述。希望通過正確地掌握、使用聲管測量水聲材料構件聲學參數(shù)的方法，使聲管測量結果能夠科學、客觀地反映水聲材料構件的聲學性能，為水聲材料研究和測量技術的更好、更快發(fā)展提供堅實基礎。

1 水聲材料聲學參數(shù)概述

應用于水聲領域中，滿足某種特定聲學功能要求的材料，包括含有一定聲學結構的聲學材料統(tǒng)稱為水聲材料。在水聲工程中，經常需要某種材料具有吸聲、透聲或反聲等功能特性。為了更好地實現(xiàn)這些聲學功能，除了材料本身設計成具有某些性能外，如壓電特性、粘彈特性等，還往往在材料中加入一些空腔或微粒等聲學結構[1]。

水聲材料可分為有源水聲材料和無源水聲材料。有源水聲材料是指通過施加特定電流或電壓等外源條件來實現(xiàn)某種特定聲學功能的材料，而無源水聲材料是不需要施加任何電流或電壓等外源條件即具有特定聲學功能的材料。由于有源水聲材料的聲學功能特性參數(shù)與外源條件密切相關，其測量方法和條件需視其具體外源條件要求而定，所以本文的論述主要針對具有一般測量方法和條件的無源水聲材料。

與一般材料參數(shù)測量相同，水聲材料參數(shù)測量也包括材料特征參數(shù)測量和材料構件功能參數(shù)測量。材料特征參數(shù)是表征材料本身固有特性，這類參數(shù)只取決于材料內部的組成和結構，與材料的尺寸和形狀無關，如材料的密度、特性阻抗和材料聲速等。材料構件功能參數(shù)表征材料或構件實物功能特性的參數(shù)，這類參數(shù)不僅與構件材料的內部組織和結構有關外，還與構件的厚度、形狀和安裝固定方式等使用條件有關[1]。

按照研究階段及測量條件的不同，材料構件功能參數(shù)測量可以進一步細分為：在構件研究階段實驗室標準條件下的構件功能參數(shù)測量，如材料產品等效密度、聲壓反射系數(shù)、聲壓透射系數(shù)和吸聲系數(shù)等；在產品應用階段實際使用條件下的實際產品功能參數(shù)測量，如材料產品質量、輸入阻抗和目標強度降低等[1]。

材料特征參數(shù)、構件功能參數(shù)和產品功能參數(shù)三者在產品設計研究周期中的相互關系如圖1所示。

三類參數(shù)中，材料特征參數(shù)是最基礎的，測量方法也是最通用的，一般參照通用的材料參數(shù)測量規(guī)范和標準即可完成測量，如萬能材料試驗機的測量。產品功能參數(shù)是最終效果的表征，測量方法也是最復雜的，需要根據(jù)產品實際應用環(huán)境條件來制定具體詳細的測量方案，如減振降噪材料對艦船輻射聲源級降低的測量。構件功能參數(shù)介于兩者之間，是在相對簡化條件下獲得產品功能的效果表征，實驗室測量一般都只能獲得這類參數(shù)，聲管測量水聲材料聲學功能參數(shù)也屬于這一類測量。下面將著重討論聲管測量獲取的水聲材料構件功能聲學參數(shù)的物理意義及其測量條件。

如上所述，作為水聲材料構件，人們將主要關心構件聲學功能參數(shù)。如圖2所示，聲波入射到水聲材料表面時，入射聲能的一部分被反射，表示為，一部分聲能被透射，表示為，另一部分聲能被水聲材料所吸收，表示為[3]。

被吸收部分的聲波能量所占入射聲波總能量的比率，通常成為水聲材料構件的吸聲系數(shù)，表示為。

對于平面聲波，有：

(2)

(4)

式中：

(6)

根據(jù)上面的推導，水聲材料構件聲學功能參數(shù)測量的基礎參數(shù)只有入射聲壓、反射聲壓和透射聲壓，其它如聲壓反射系數(shù)、聲壓透射系數(shù)、吸聲系數(shù)、插入損失等聲學功能參數(shù)都是通過這三個基本聲學參數(shù)推導換算而來的[2-4]。

2 聲管測量方法評述

根據(jù)上面的論述，聲管測量技術都是圍繞如何測量并分離出聲管中傳播的入射聲壓、反射聲壓和透射聲壓，如圖3所示。根據(jù)測量和分離聲波信號的方法不同，聲管測量方法分為駐波法、脈沖法和行波法。

駐波法聲管測量過程中，發(fā)聲器連續(xù)發(fā)射單頻聲波，這樣入射聲波和反射聲波在聲管的發(fā)聲器與樣品之間形成平面駐波聲場。早期的駐波比法是在聲管中布置一個可以沿管軸移動的傳聲器(如圖4所示)，測量駐波聲場兩個相鄰的聲壓極大值和極小值，以及它們的位置距離，通過駐波比和由公式(7)得到反射系數(shù)，所以又稱為駐波比法[5-8]。

(7)

駐波比法測量操作簡單、方便，但在加壓環(huán)境下可移動傳聲器密封安裝很困難。于是，一種不需要移動傳聲器、適合于加壓條件下的自動測量方法應運而生。如圖5所示，該方法預先在聲管中安裝兩個位置固定的傳聲器，將兩個傳聲器測量到的聲波信號通過傳遞函數(shù)實現(xiàn)入射聲波和反射聲波信號的分離，并計算出樣品的聲壓反射系數(shù)：

隨著測量電子設備和計算機控制技術的進步，可以實現(xiàn)精確控制電子設備發(fā)射或接收聲波信號的起止時間，就有了脈沖法聲管測量技術。如圖6所示，脈沖法的測量原理就是控制發(fā)聲器發(fā)射聲波的脈沖時間長度，使聲管中的入射聲波、反射聲波和透射聲波在傳播時間上分開，從而實現(xiàn)分別直接測量這三個聲波的聲壓值，測量結果如圖7所示[12,13]。

由于脈沖法是分別直接測量三個聲波的聲壓值，所以它是一種經典、可靠的聲管測量方法。但由于該方法對測量脈沖時間長度有一定的要求，這就對聲管長度提出了較高的要求，特別是低頻時(1 kHz以下)難以通過脈沖法來實現(xiàn)。

如果能有一種方法讓水聲管測量像空氣聲管一樣，透射聲波在聲管另一端不形成反射，就可以在水聲管中通過借鑒駐波法低頻測量的優(yōu)點，這種聲管測量方法就是行波法。如圖8所示，發(fā)聲器連續(xù)發(fā)射聲波，在聲管下半段中入射聲波和反射聲波形成駐波聲場，在聲管上半段由于吸聲器的作用只有透射聲波傳播，從而形成行波聲場，實現(xiàn)三個聲波聲壓的測量。

式中：為1、2號水聽器之中心(定義為坐標原點)與3、4號水聽器之中心的距離，其它符號與傳遞函數(shù)法中定義相同[14,15]。

雖然行波法不受聲管長度和測量低頻的限制，測量頻率可以低至幾十赫茲，能夠很好地滿足水聲材料構件低頻聲學參數(shù)測量的需要。但要使透射聲波在聲管內不反射也是很難實現(xiàn)的技術要求。以前人們一般使用吸聲尖劈等，但在低頻時面臨吸聲尖劈尺寸太長的難題。近年來，隨著計算機控制技術的提高，趨向于在聲管透射聲波一端安裝主動吸聲的有源吸聲換能器，這種方法對水聽器、換能器等設備的電聲響應靈敏度及其位置加工精度等都有很高的要求，特別是隨著測量頻率的升高，測量的不確定度也會逐漸加大。目前，行波法的測量精度和可靠性處于持續(xù)改進階段，離滿足工程測量的可靠性要求還有一定的差距[16]。

總結聲管測量方法的發(fā)展歷程，有以下發(fā)展趨勢：

聲管測量聲波信號及測量結果的數(shù)據(jù)采集和處理由手動測量記錄方式向計算機控制自動化測量和數(shù)據(jù)處理方向發(fā)展，測量的頻率由單頻點掃頻測量向寬頻測量發(fā)展，從而提高聲管測量效率；

近年來，聲管測量技術的發(fā)展圍繞解決低頻(1 kHz以下)測量問題，以滿足水聲材料低頻測量的工程需求。為此，出現(xiàn)了主動控制有源消聲行波測量聲管，但該方法在測量精度和可靠性方面還有待進一步的研究改進，才能廣泛地應用于水聲材料的研究工程中。

3 聲管測量水聲材料參數(shù)的一般要求

水聲材料聲學功能參數(shù)，都是在平面波聲場的條件下定義的[2]。因為，只有在平面波聲場條件下，才能去除由于聲場傳播空間發(fā)散而引起的入射、反射或透射聲場聲壓值的變化，測量到由于水聲材料構件自身聲學功能引起的聲場變化，從而得到水聲材料構件的聲學功能參數(shù)。

在實驗室中建立起平面波聲場的簡便方法就是聲波在波導管中傳播，這種波導管簡稱為聲管。為保證聲管中傳播的聲波只有平面波，還必須滿足傳播的聲波頻率低于聲管的截止頻率。與聲管中介質的聲速和聲管的半徑有關，其關系式為[2]

如果發(fā)射聲波的聲源是對稱發(fā)射，則截止頻率可以提高到

(11)

聲管測量，還要求聲管管壁為剛性的邊界條件。對于水聲材料測量用的不銹鋼水聲管，一般要求聲管管壁厚度不小于其內半徑[17]。

上述對測量聲管的要求為人們所熟知，然而容易被人們忽略的是對被測量水聲材料樣品的要求。水聲聲管測量的樣品應為與水的聲特性阻抗相近的材料，如橡膠、塑料類，而不能為金屬、巖石等與水的聲阻抗嚴重失配的材料樣品。因為與水的聲阻抗嚴重失配的金屬等材料樣品，其反射和透射等與樣品在聲管中的安裝方式等密切相關，其測量結果具有很大的不確定性[18,19]。而且，為了使聲管測量結果只反映水聲材料本身的聲學特性，被測量樣品應是水聲材料構件產品本身，而不應含有其它附屬的結構件[18,19]。

4 總結

歸納以上所述內容，可以獲得如下幾方面的共識：

(1) 聲管聲學參數(shù)測量屬于實驗室產品階段聲學功能參數(shù)的測量，通過聲管測量得到的聲學功能參數(shù)與實際應用條件下的聲學功能參數(shù)的測量方法和條件完全不同，聲管測量結果僅適用產品研發(fā)階段的聲學性能評價；

(2) 聲管測量方法分為駐波法、脈沖法和行波法，它們的測量頻率和適用條件各不相同，相互補充。近年來，聲管測量技術的發(fā)展趨勢是通過主動有源消聲的行波法解決水聲材料低頻(1 kHz以下)測量的需求，但在測量精度和可靠性方面還有待改進提高；

(3) 水聲材料聲學功能參數(shù)聲管測量，最易被忽視的是對被測量樣品的要求。水聲聲管測量的樣品必須是聲特性阻抗應與水相近的材料類樣品，而不能是嚴重失配的材料樣品，測量樣品還不應含有其它附屬構件等。

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Summarization of acoustic parameters of underwater materials and the acoustic tube measurement method

CHEN Jian-ping, HE Yuan-an, HUANG Ai-gen

(System Engineering Research Institute, China State Shipbuilding Corporation, Beijing 100094, China)

The significance of underwater materials and measurement of acoustic parameters in the design process of underwater acoustic products are briefly explained. The existing problems of acoustic tube measurement are also mentioned. The types underwater acoustic parameters and the corresponding measurement ways for them are discussed in detail. Then the theory and application contition of acoustic tube measurement methods, including impulse wave, standing wave and traveling wave method, are analyzed respectively. The trends of the acoustic tube measurement method are summarized also. The general requirements for acoustical tube and measuring samples，which must be satisfied in the measurement, are described in this paper.

underwater material; acoustical parameters; acoustical tube; measurement method

TB533

A

1000-3630(2015)-02-0109-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.02.002

2014-03-07;

2014-07-21

陳建平(1973－), 男, 四川遂寧人, 高級工程師, 研究方向為艦船聲隱身材料聲學設計。

陳建平, E-mail: chenjamping@sina.com