CN102590349A - 基于时间反转聚焦的水声无源材料插入损失/透射系数测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于时间反聚焦的水声无源材料插入损失/透射系数测量方法，包括如下步骤：1)生成时反发射信号；2)无测试样品时直达信号采集，发射-接收换能器阵发射1)生成的时反信号，拟放置测试样品附近的水听器(通常为发-收合置换能器作为水听器使用)记录没有测试样品时的直达信号pi；3)有测试样品时透射信号采集：将待测无源材料样品放入事先设定的位置，发射-接收换能器阵再次发射与步骤2)相同的时反发射信号，水听器记录有测试样品时的信号pt；4)插入损失计算：利用透射系数/插入损失的计算公式获得所需的试样参数计算结果。本发明对于中低频段透射系数/插入损失的测量可有效减少误差、提高精度，因此适用于全频段测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下声学材料插入损失/透射系数的测量方法。水下声学材料构件是水声工程中使用广泛且至关重要的水下部件，不同的应用背景对材料声学性能有不同的要求。为评估材料的吸声性能，需开展对相关吸声参数的测试。水声无源材料的声学性能测量包括插入损失/透射系数、回声降低/反射系数等参数的测量。
背景技术
水下声学材料构件是水声工程中使用广泛且至关重要的水下部件，不同的应用背景对材料声学性能有特殊的要求。随着材料科学的进步，粘弹性高分子材料等高性能吸声新材料在隔声减振、吸声降噪等水声工程领域的应用日益广泛。因而，对该类材料在水声使用环境中的声学性能研究和声学参数测量是迫切需要解决的问题。同时，低频(百赫兹～几千赫兹)情况下的声学材料及声学理论研究是目前水声学研究的重要趋势之一，而实现日趋重要的材料性能低频段精确测试通常需要更大规模的测试容器和相关设备。目前常用的测量方法有基于声管的脉冲管法、驻波管法、传递函数法等，以及基于消声水池/压力容器的压缩脉冲叠加法、参量源法、声全息法等。然而，低频情况下受环境吸声性能下降、发射波束宽度增加等影响，使测量时水听器记录的混响增强，另外，水听器记录的有用测试信号受水听器离测试材料距离、测试材料吸声性能等影响，通常情况下信号强度较低，最终导致信号与混响之比大幅降低，使现有技术的测量误差大大增加。因此，研究信混比提高方法，发展在中低频段普遍适用的无源材料声学性能测量技术已成为目前迫切需要解决的问题。
发明内容
为了克服现有的水声无源材料插入损失/透射系数测量技术在中低频段测试中，测量结果误差较大、精度较低的不足，本发明提供一种适用于中低频段、有效减少误差、提高精度的基于时间反转聚焦的水声无源材料插入损失/透射系数测量方法。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于时反聚焦的水声无源材料插入损失/透射系数测量方法，所述测量方法包括如下步骤：
1)生成时反发射信号；
2)无测试样品时直达信号采集：发射-接收阵SRA接收信号后，对其进行幅度归一化、功率控制及时间反转，并由SRA进行发射，则根据时反原理，发射信号在发射-接收换能器处产生空时聚焦，该聚焦信号为原发射信号的时间反转形式，此时发射-接收换能器处换能器作为水听器记录没有测试样品时的直达信号pi；
3)有测试样品时透射信号采集：将待测无源材料样品放入事先设定的位置，SRA再次发射与步骤2)相同的时反发射信号，发射-接收换能器记录有测试样品时的信号pt。
4)插入损失计算：利用透射系数/插入损失的计算公式获得所需的试样参数计算结果，其计算公式如下所示：
透射系数：
插入损失：IL＝-20log|τp|。
进一步，所述步骤1)中，生成时反发射信号的过程为：首先，根据所需测量的频率范围，由测量系统生成所需发射的信号，然后，将发射-接收换能器置于待放置的测试样品附近，距离样品不小于信号波长的四分之一，既作为时反用PS，又作为水听器接收直达信号及材料透射信号，利用该换能器发射测量信号。同时，测量所用的发射-接收阵SRA记录经测试环境传播的信号。
本发明的技术构思为：时间反转(时反)聚焦原理根据波动方程解的时反不变性及收发互易性，即把某一声源的接收信号在同一信道时反后发射(先到后发，后到先发)，该发射信号可在发射声源处实现空时聚焦。由于在一个时不变的声场中，波动方程解的时反不变性和收发互易性成立，因此时反聚焦是一个时不变场的固有特性。时反聚焦技术充分利用了空间声传播多路径特性，其发射信号空间聚焦主瓣较基于平面波波束形成(直达波单路径)的常规阵发射窄，可减小声波衍射对测量结果的影响。时反的时间域聚焦特性使入射到测试样品的信号压缩成原发射信号，把本属于混响的干扰同相位叠加于直达入射波，成为可用信号，从而大幅提高测量信混比，改善水声无源材料声学性能的测量精度，特别对于中低频段材料声学性能测试优势明显。
首先在待测试样品附近放置一发射-接收换能器(既可作时反用PS，又可作为接收用水听器)，SRA通过接收探查源信号，生成时反发射信号，根据时间反转原理，该发射信号经SRA发射后可实现PS处入射信号的空时聚焦，从而降低混响对测量信号的影响，提高入射信号强度。同时，空间聚焦同时也可增加试样处入射信号的空间分辨率。
与现有的无源材料插入损失/透射系数测量方法相比，本发明的技术优势主要表现在：
1)基于空间互易性的时反聚焦导致混响极低，可大幅降低对测量信号的干扰，同时，聚焦使本属于混响干扰的界面散射同相叠加于直达波信号，从而使测量信号增强。因此，本发明可解决低频强混响背景下的无源材料插入损失测量问题。
2)根据波导理论，由于多路径效应，时反聚焦的焦点(主瓣)远低于自由场平面波情况下的波束宽度。尤其对于测试环境为压力容器情况，由于多途效应严重，相同条件下可获得比水池环境更小的聚焦主瓣。具有高分辨能力的焦点入射到测试样品，可大幅减少声波衍射对测量结果的影响，同时亦可增加测量参数的空间分辨率。
3)由于时反聚焦原理在非均匀介质环境下同样成立，因此，可消除测试环境水体内部机构对测量信号的影响。
附图说明
图1是发射-接收换能器发射信号时，各测量装置布放示意图。
图2是发射-接收阵(SRA)发射时反信号时，无测试样品情况下各测量装置布放示意图。
图3是发射-接收阵发射时反信号时，有测试样品情况下各测量装置布放示意图。
图4是铝板试样插入损失理论值及水池试验测量结果图。
图5是钢板试样插入损失理论值及水池试验测量结果图。
图6是铝板及钢板试样插入损失测量结果的扩展不确定度图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图6，一种基于时反聚焦的水声无源材料插入损失/透射系数测量方法，用于水下声学构件材料吸声性能测试。整套测量方法的技术方案如下：
1)时反发射信号生成
首先，根据所需测量的频率范围，由测量系统生成所需发射的信号，如宽带线性调频信号或窄带的脉冲余弦信号。然后，将发射-接收换能器置于待放置的测试样品附近(距离样品尽量靠近，但不小于信号波长的四分之一)，如图1所示，其既可作为时反用PS，又可作为水听器接收直达信号及材料透射信号(亦可放置一发射换能器作为PS，当同一位置需接收信号时，再替换成接收水听器)，利用该换能器发射测量信号。同时，测量所用的发射-接收阵(SRA)记录经测试环境传播的信号。
2)无测试样品时直达信号采集
如图2所示，SRA接收信号后，对其进行幅度归一化、功率控制及时间反转(即产生时反发射信号)，并由SRA进行发射，则根据时反原理，发射信号在PS处产生空时聚焦，该聚焦信号为原发射信号的时间反转形式，此时PS处换能器作为水听器(亦可在同一位置处放置一水听器)记录没有测试样品时的直达信号pi。
3)有测试样品时透射信号采集
将待测无源材料样品放入事先设定的位置，如图3所示，SRA再次发射与步骤2)相同的时反发射信号，发射-接收换能器记录有测试样品时的信号pt。
4)插入损失计算
通过以上三个步骤可将测量数据采集完毕，然后利用透射系数/插入损失的计算公式可获得所需的试样参数计算结果。其计算公式如下所示：
透射系数：
插入损失：IL＝-20log|τp|.
实例说明：为验证该测量方法在无源材料声学性能测量中的有效性，开展了水池试验验证。实验室水池长约8m，宽4m，水深1.6m，波导四面贴有吸声材料，底部铺有0.25m的细沙。实验中SRA与测试样品相距7m，其中SRA为直径为1.5m，三个阵元均匀分布的圆环阵。测试试样之一为铝板，其几何尺寸为1.1m×1.0m×5mm，密度为2.97×103kg/m3，铝板声速5380m/s。测试试样之二为钢板，尺寸与铝板相同，密度为7.84×103kg/m3，声速5470m/s。该试验开展了0.5kHz-20kHz频率的插入损失数据采集和处理。图4显示的是铝板试样插入损失理论及试验结果比较图，由于其低频段处插入损失趋近于0，因此测量频率范围为3kHz-20kHz，由图可知，即使在多径现象非常严重的水池波导条件下，基于时反聚焦的试样插入损失测量方法所得的测量结果基本与平面波理论计算值相一致，除极个别频点外，各测量频点对应的相对误差均小于10％。图5显示的是5mm钢板试样插入损失理论及试验结果比较图，增加了低频段(0.5kHz-3kH)处插入损失的测量，经计算各测量频点对应的相对误差均小于10％。图6显示的是铝板及钢板试样试验测量所得插入损失的扩展不确定度分析，由图可知，各试样扩展不确定度均小于0.3dB。
Claims (2)
1.一种基于时反聚焦的水声无源材料插入损失/透射系数测量方法，其特征在于：所述测量方法包括如下步骤：
1)生成时反发射信号；
2)无测试样品时直达信号采集：发射-接收阵SRA接收信号后，对其进行幅度归一化、功率控制及时间反转，并由SRA进行发射，则根据时反原理，发射信号在发射-接收换能器处产生空时聚焦，该聚焦信号为原发射信号的时间反转形式，此时发射-接收换能器处换能器作为水听器记录没有测试样品时的直达信号pi；
3)有测试样品时透射信号采集：将待测无源材料样品放入事先设定的位置，SRA再次发射与步骤2)相同的时反发射信号，发射-接收换能器记录有测试样品时的信号pt。
4)插入损失计算：利用透射系数/插入损失的计算公式获得所需的试样参数计算结果，其计算公式如下所示：
透射系数：
插入损失：IL＝-20log|τp|。
2.如权利要求1所述的基于时反聚焦的水声无源材料插入损失/透射系数测量方法，其特征在于：所述步骤1)中，生成时反发射信号的过程为：首先，根据所需测量的频率范围，由测量系统生成所需发射的信号，然后，将发射-接收换能器置于待放置的测试样品附近，距离样品不小于信号波长的四分之一，既作为时反用PS，利用该换能器发射测量信号，又作为水听器接收直达信号及材料透射信号；同时，测量所用的发射-接收阵SRA记录经测试环境传播的信号。
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