CN101819769A - 水声驻波声场形成装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是水声驻波声场形成装置。它包括上段声管、下段声管、声发射器低频弯曲振动辐射薄板以及振动激励器、压力平衡装置和减震装置。本发明的特点是：1、在10-100Hz频率范围内能够形成具有足够测量信噪比的驻波声场；2、声发射器的振动对于内部声场的起伏影响较小；3、声发射激励器的电功率损耗小，不需要承担大的声管质量，声负载小。

Description

水声驻波声场形成装置

技术领域

本发明涉及的是一种声学装置，特别是涉及一种声场形成装置。

背景技术

平面驻波声场在水声测量领域中是一种仅次于平面行波声场的常用测量空间，其声场各参数之间的数学关系简单、明了，是完成某些水声测量任务的理想空间。

平面驻波声场的建立一般大多采用刚性声管来实现，归纳起来有两种形式：一是竖直开口的；二是横置封闭的。相关的驻波声管有杭州应用声学研究所的振动液柱法校准装置中采用的声管(参见《声学计量》一书135页，原子能出版社，2002年6月)、《矢量水听器校准装置》(声学技术2004(增刊)第289-291页)一文中使用的驻波管，还有二十世纪六十年代美国人使用的振动液柱法校准声管(Bauer B.B.A Laboratory Calibrator for Gradient Hydrophone.J.A.S.A.1966(39)：585)，美国CBS实验室的Bauer提出了另一种封闭横置的驻波管型式。类似的驻波声管还有很多，在这些驻波声管装置中声管与声发射器是相互独立的，声管有底且内部充满水，声发射器或安装在声管内部(固定在水中声管的底部或侧面)，或安装在声管外部(将整个声管支撑在其振动辐射面上)。无论发射器在声管内部还是外部，由于声管本身有一个与侧壁和发射器连接在一起的底部，因此发射器的振动必然会引起声管底部的振动，从而带动管壁发生振动，导致与管壁相接触的水介质发生波动产生声场畸变。这是多年来人工设计的平面驻波声场起伏较大的原因所在。

另外，对于100Hz以下低频驻波声场的设计，根据驻波声场形成原理声管的设计几何尺寸将很大、质量也很大(约有几吨重)，因此将声管放在低频振动台上的方式工程上已经不能实现。

数十年来如何建立一个低频性能稳定、干扰小、水平平面声压起伏小的理想平面驻波声场确是困扰人们的大问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以形成具有足够测量信噪比的、声场起伏以及声负载都较小的水声驻波声场形成装置。

本发明的目的是这样实现的：

水声驻波声场形成装置，它包括上段声管、下段声管、声发射器低频弯曲振动辐射薄板以及振动激励器、压力平衡装置和减震装置，其特征是：所述的上段声管1和下段声管2通过上段声管1的环形凹槽1b和下段声管2的环形凸起2b结合在一起；声发射器低频弯曲振动辐射薄板3安装在上段声管1和下段声管2之间；振动激励器通过减震装置6的横向弹簧6a和竖直弹簧6b安装在下段声管2内部中心处，并通过振动台面4a与声发射器低频弯曲振动辐射薄板3相连；气压泵5a、单向阀5b、调节阀5c、气压表5d和排气阀5e构成压力平衡装置5，排气阀5e与下段声管2的压力平衡端口2c相连。

本发明的水声驻波声场形成装置还可以包括：

1、所述的平面驻波声场装置的频率范围是10-100Hz。

本发明的优势在于：1、在10-100Hz频率范围内能够形成具有足够测量信噪比的驻波声场；2、声发射器的振动对于内部声场的起伏影响较小；3、声发射激励器的电功率损耗小，不需要承担大的声管质量，声负载小。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明的水声驻波声场形成装置由带有溢流孔1a与环形凹槽1b的上段声管1，和带有振动激励器激励信号输入端口2a、环形凸起2b与压力平衡端口2c及底座2d的下段声管2，和声发射器低频弯曲振动辐射薄板3以及振动激励器、压力平衡装置5和减震装置6组成。其中振动激励器包括振动台面4a、支撑架4b、动圈4c、支撑弹簧4d和永久磁铁4e、外壳4f，压力平衡装置包括气压泵5a、单向阀5b、调节阀5c、气压表5d和排气阀5e。，减震装置由横向4根弹簧6a和竖直4根弹簧6b组成。

首先，将振动台面4a、支撑架4b、动圈4c、支撑弹簧4d和永久磁铁4e安装在振动外壳4f内组成振动激励器，然后通过减震装置6的4根横向弹簧6a和4根竖直弹簧6b将振动激励器安装在下段声管2内部中心处，再将声发射器低频弯曲振动辐射薄板3采用密封螺栓和密封胶与振动激励器的振动台面4a连接在一起，然后再将上段声管1的环形凹槽1b对准下段声管2的环形凸起2b将两者合在一起，同时将声发射器低频弯曲振动辐射薄板3夹压在两者之间，形成周边嵌定边界，最后将气压泵5a、单向阀5b、调节阀5c、气压表5d和排气阀5e组装在一起形成压力平衡装置5，并与下部声管2的压力平衡端口2c相连，这样形成一套完整的水声驻波形成装置。目前该装置外径450mm，内径350mm，整体高为810mm，水深450mm，工作频带为10-160Hz，工作频带内在水下200-300mm范围内水平声场起伏不超过0.5dB。

本发明提出了一种将驻波声管与声发射器一体设计的新型平面驻波形成装置。设计中以低频声发射器的辐射面设计为核心，在10-100Hz频率范围内为产生具有足够信噪比的声场考虑采用薄板弯曲振动理论，利用振动激励器推动薄板振动从而形成声波，根据此理论在不同边界条件下薄板的振动位移曲线也不同，因此结合声管设计实际情况选择周边固定边界条件作为实施对象，这样上下声管在这里实际上是充当了声发射器辐射面实现低频弯曲振动周边固定边界条件的一种结构附件。同时上段声管又兼作驻波测量空间，内部充满水，其设计是根据圆管波导传播理论由工作频段确定的，包括内径、壁厚以及长度。下段声管有两个用途：一是用来放置振动激励器，故其尺寸主要由振动激励器的尺寸决定，但这不是主要的，主要是利用其充气空腔的压力抵消掉辐射薄板上表面由水柱产生的压力，从而使声发射器辐射面不受压力，因此下段声管是一个气密腔体，其内部的压力的大小调整由压力平衡装置来实现，在可能的情况下上下两段声管设计的尺寸是一样的为好，或者其壁厚稍厚为佳。这样通过声管和声发射器之间的巧妙设计，有效地减小了声发射器振动对管壁的影响，从而使驻波声场起伏得以降低，同时由于声发射器不再承担整个声管的重量，因此使低频振动得以实现。本发明可以广泛应用于低频水声测量领域，如矢量水听器的甚低频灵敏度校准、指向性测量以及相位测量等。

本发明的理论依据是声波导传播理论和薄板振动理论。由圆管波导传播基本理论知：若要在声管中只形成均匀平面驻波，必须使所工作的频率范围的上限f_B小于(1，0)号简正波f₁₀的截止频率，即

$f_B<f_{10}=\frac{1.84c}{2\mathrm{\&pi;a}}$

相应的最高频率的波长为：

${\mathrm{\&lambda;}}_B=\frac{c}{f_B}>\frac{\mathrm{\&pi;}}{1.84}\left(2a\right)=1.707d$

即工作频带上限所对应的波长λ_B要大于管内直径d的1.707倍。

而对于声发射器来说，要使频带下限频率足够低，应该使辐射面的固有频率很低。根据薄板振动理论可知，对于圆形薄板，其固有频率计算公式为：

$f_{\mathrm{nm}}={\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{nm}}\frac{h}{r^2}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\&rho;}(1-{\mathrm{\&mu;}}^2)}}$

其一阶模态固有频率为：

$f_{01}=\frac{{\left(3.196\right)}^{2}h}{2\mathrm{\&pi;}{r}^2}\sqrt{\frac{E}{12\mathrm{\&rho;}(1-{\mathrm{\&mu;}}^2)}}$

式中：α_nm-----(n，m)阶模态的特征值；h-----薄板的厚度(m)；r-----薄板的半径(m)；E-----薄板的杨式模量(N/m³)；ρ-----薄板的密度(kg/m³)；μ-----薄板的泊松比。

Claims (2)

1.水声驻波声场形成装置，它包括上段声管、下段声管、声发射器低频弯曲振动辐射薄板以及振动激励器、压力平衡装置和减震装置，其特征是：上段声管(1)和下段声管(2)通过上段声管(1)的环形凹槽(1b)和下段声管(2)的环形凸起(2b)结合在一起；声发射器低频弯曲振动辐射薄板(3)安装在上段声管(1)和下段声管(2)之间；振动激励器通过减震装置(6)的横向弹簧(6a)和竖直弹簧(6b)安装在下段声管(2)内部中心处，并通过振动台面(4a)与声发射器低频弯曲振动辐射薄板(3)相连；气压泵(5a)、单向阀(5b)、调节阀(5c)、气压表(5d)和排气阀(5e)构成压力平衡装置(5)，排气阀(5e)与下段声管(2)的压力平衡端口(2c)相连。

2.根据权利要求1所述的水声驻波声场形成装置，其特征是：所述的平面驻波声场装置的频率范围是10-100Hz。

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