CN103675100A - 一种测量水声材料透声性能角谱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量水声材料透声性能角谱的方法。本发明在自由场或近自由场水域中，指向性声源发射宽带脉冲信号，通过测量水声材料试样表面及试样背面的复声压分布，利用时频傅立叶变换及二维空间傅立叶变换，分离出不同频率、不同入射角度样品表面的入射波分量和透射波分量，从而得到样品不同频率时声压透射系数角谱。本发明有益的效果是：一是实现水声材料构件透声性能的角谱测量；二是无需反复发射不同单频信号，无需进行样品多角度地旋转，就能够测试声波斜入射时，水声材料不同频率的透声性能分布，极大地提高了工作效率。

Description

一种测量水声材料透声性能角谱的方法

技术领域

本发明属于水声工程技术领域，具体涉及水声计量测试领域，主要是一种水声材料声学性能的测量方法。

背景技术

水声材料的声学性能是与入射声波的入射角度密切相关的。而一直以来，因为技术能力限制，人们的关注点一直停留在声波垂直入射时，水声材料的声学性能研究。水声材料研制过程中提出的技术指标也都为垂直入射性能指标。但随着水声材料应用领域的扩展，人们开始越来越关心其声学性能与声波入射角度的关系。所以计量测试领域急需能够有效测量和评价声波斜入射时声性能的方法。

依据1993年制订的国家标准GB14369-1993《声学水声材料样品插入损失和回声降低的测量方法》，传统对大面积试件非垂直入射透声测量的方式为：在开阔水域（或消声水池）内，将试样和水听器置于发射换能器的远场，通过旋转试样，获取各个频率点各个入射角度的衰减量，从而计算插入损失（透声）的角谱。

应用传统方法，采用单频脉冲技术，须在无试样情况下完成所有待测频点直达信号的采集，再放入试样，调整样品角度，在指定角度，重新发射单频信号，一个频率一个频率地进行采集，再旋转角度，重复单频测试。如果待测频点多，待测角度多，则测试过程费时费力，效率非常低下。此外，该方法对样品吊挂旋转机构的回转定位要求也较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，为实现水声材料构件透声性能的角谱测量，解决传统方法效率低下的问题，大幅提高工作效率，提出了一种全新的水声材料透声性能角谱测量方法。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案：

方法一：一种测量水声材料透声性能角谱的方法，该方法通过三个测试面上复声压测试，分离出不同频率、不同入射角度样品表面的入射波分量和透射波分量，从而得到样品的声压透射系数角谱，具体包括如下步骤：

步骤一：假定声源位于待测样品上方z=zs处，在声源与待测材料间及待测材料背面，z=z1、z=z2和z=z3设定为三个测量面，测量面与待测材料互相平行，并假定z=0平面与待测材料重合，且原点与材料几何中心重合；

步骤二：声源发射宽带信号，利用二维傅立叶变换则z=z1、z=z2和z=z3三个测量面上的复声压分解为各个方向上的平面波分量：

$P(k_x,k_y,z_1)=\∫\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}p(x,y,z_1)e^{-j(k_{x}x+k_{y}y)}\mathrm{dxdy}---\left(1\right)$

$P(k_x,k_y,z_2)=\∫\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}p(x,y,z_2)e^{-j(k_{x}x+k_{y}y)}\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

$P(k_x,k_y,z_3)=\∫\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}p(x,y,z_3)e^{-j(k_{x}x+k_{y}y)}\mathrm{dxdy}---\left(3\right)$

步骤三：z1、z2面上的各平面波分量又可以用被测样品平面上的不同频率入射波和反射波平面分量表示：

P(k_x,k_y,z₁)=P_i(k_x,k_y,0)exp(jk_zz₁)+P_r(k_x,k_y,0)exp(-jk_zz₁)   （4）

P(k_x,k_y,z₂)=P_i(k_x,k_y,0)exp(jk_zz₂)+P_r(k_x,k_y,0)exp(-jk_zz₂)   （5）

通过式（4）和（5），可以分离出z=0面上入射平面波：

$P_i(k_x,k_y,0)=\frac{P(k_x,k_y,z_1)\exp (-j{k}_z{z}_2)-P(k_x,k_y,z_2)\exp (-j{k}_z{z}_1)}{\exp (j{k}_z{z}_1-j{k}_z{z}_2)-\exp (j{k}_z{z}_2-j{k}_z{z}_1)}---\left(6\right)$

步骤三：根据平面波传播原理，z=z3面上无样品时入射平面波为：

P_i(k_x,k_y,z₃)=P_i(k_x,k_y,0)exp(-jk_zz₃)       （7）

z=z3面上有样品时入射平面波为：

P_t(k_x,k_y,z₃)=P(k_x,k_y,z₃)           （8）

步骤四：由式（9）可以计算得到声波任意入射方向的声压透射系数：

$\begin{array}{c}{t}_p(k_x,k_y)=\frac{P_t(k_x,k_y,z_3)}{P_i(k_x,k_y,z_3)}\\ =\frac{P(k_x,k_y,z_3)\·(\exp (j{k}_z{z}_1-j{k}_z{z}_2)-\exp (j{k}_z{z}_2-j{k}_z{z}_1))}{P(k_x,k_y,z_1)\exp (-j{k}_z{z}_2-j{k}_z{z}_3)-P(k_x,k_y,z_2)\exp (-j{k}_z{z}_1-j{k}_z{z}_3)}\end{array}---\left(9\right)$

入射波的入射角度由下式确定：

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}[{(k_x^2+k_y^2)}^{1/2}/k_0]---\left(10\right)$

式中 $k_0=\sqrt{k_x^2+k_y^2+k_z^2}=2\mathrm{\πf}/c,$ f为声波频率。

方法二：一种测量水声材料透声性能角谱的方法，该方法通过吊放一次待测试样，对同一测试面上复声压进行两次测试，分离出不同频率、不同入射角度样品表面的入射波分量和透射波分量，从而得到样品的声压透射系数角谱，具体包括如下步骤：

步骤一：假定声源位于待测样品上方z=zs处，在待测材料背面，z=z1设定为测量面，测量面与待测材料互相平行，并假定z=0平面与待测材料重合，且原点与材料几何中心重合；

步骤二：声源发射宽带信号，在无试样情况下，z=z1测量面上的复声压分解为各个方向上的平面波分量，即入射平面波分量：

$P_i(k_x,k_y,z_1)=P(k_x,k_y,z_1)=\∫\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}p(x,y,z_1)e^{-j(k_{x}x+k_{y}y)}\mathrm{dxdy}---\left(11\right)$

步骤三：放入待测试样，采集z=z1测量面上的复声压，可以得到各个方向上透射平面波分量：

$P_t(k_x,k_y,z_1)=P^{\′}(k_x,k_y,z_1)=\∫\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{p}^{\′}(x,y,z_1)e^{-j(k_{x}x+k_{y}y)}\mathrm{dxdy}---\left(12\right)$

步骤四：由式（13）可以计算得到声波任意入射方向的声压透射系数：

$t_p(k_x,k_y)=\frac{P_t(k_x,k_y,z_1)}{P_i(k_x,k_y,z_1)}=\frac{P^{\′}(k_x,k_y,z_1)}{P(k_x,k_y,z_1)}---\left(13\right)$

入射波的入射角度同式（10）。

本发明的可达到的有益效果是：无需反复发射不同单频信号，无需进行样品多角度地旋转，就可能测试声波斜入射时，水声材料不同频率的透声性能分布，极大地提高了工作效率。特别是方法二，虽然该方法测试时需要对待测试样进行一次吊放，完成水声材料透声性能角谱，但该方法相比方法一测试方法和原理更为简单。

附图说明

图1为方式一的测量模型图；

图2为方法二的测量模型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

参见图1，声源位于待测样品上方z=zs处，在声源与待测材料间及待测材料背面，z=z1、z=z2和z=z3为三个测量面，测量面与待测材料互相平行，z=0平面与待测材料重合，且原点与材料几何中心重合。

参见图2，声源位于待测样品上方z=zs处，待测材料背面，z=z1为测量面，测量面与待测材料互相平行，z=0平面与待测材料重合，且原点与材料几何中心重合。

本发明的测试工作建议在满足自由场条件或等效自由场条件的水域中进行，如实验室消声水池、开阔水域等。

测试信号为宽带脉冲信号，通过一次测量，可以测试整个测量频段样品的声压透射系数角谱，提高测试效率。

声源具有一定的指向性、旁瓣小。能够使入射声波集中入射到试样板边缘之内，试样中央的入射波声压高于边缘的入射波声压，以减少测量样品边缘衍射的干扰，大大降低测量频率。

在具体实施例中，测量各个测量面上的复声压分布，每个测量空间点采集的时域信号，经时频傅立叶变化获取测量点的宽带频谱信号。复声压分解时，提取每个测量点相应频率f的幅值。

复声压分解方法为空间二维傅立叶变换。实际测量得到的是各测量面上声压的二维分布，在对其进行空间二维FFT变换后，根据空间采样原理，所得到的变换结果就是对应着各相应波数k_x，k_y平面波分量的二维矩阵。假设对全息面进行了n_x×n_y个点的测量，测得全息面复声压二维分布矩阵（n_x和n_y分别为x和y方向上的扫描点数）：

$\left(\begin{array}{cccc}p(x_0,y_0)& p(x_1,y_0)& ...& p(x_{n_x-1},y_0)\\ p(x_0,y_1)& p(x_1,y_1)& ...& p(x_{n_x-1},y_1)\\ .& & & \\ .& & & \\ .& & & \\ p(x_0,y_{n_y-1})& p(x_1,y_{n_y-1})& ...& p(x_{n_x-1},y_{n_y-1})\end{array}\right)$

对该矩阵进行二维FFT变换，得到变换结果则对应着相应波数的平面波分量：

$\left(\begin{array}{cccc}P(k_{x0},k_{y0})& P(k_{x1},k_{y0})& ...& P(k_{x(n_x-1)},k_{y0})\\ P(k_{x0},k_{y1})& P(k_{x1},k_{y1})& ...& P(k_{x(n_x-1)},k_{y1})\\ .& & & \\ .& & & \\ .& & & \\ P(k_{x0},k_{y(n_y-1)})& P(k_{x1},k_{y(n_y-1)})& ...& P(k_{x(n_x-1)},k_{y(n_y-1)})\end{array}\right)$

其中，各数据点对应的波数分量由空间采样定理确定：

$\left\{\begin{array}{cc}{k}_{\mathrm{xi}}=2\mathrm{\πi}/L_x,& (0\≤i\≤n_x/2)\\ k_{\mathrm{xi}}=2\mathrm{\π}(i-n_x)/L_x,& (n_x/2\≤i\≤n_x)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{k}_{\mathrm{yi}}=2\mathrm{\πi}/L_y,& (0\≤i\≤n_y/2)\\ k_{\mathrm{yi}}=2\mathrm{\π}(i-n_y)/L_y,& (n_y/2\≤i\≤n_y)\end{array}\right.$

式中，L_x和L_y分别为对全息面进行二维空间扫描对x方向和y方向上的扫描长度，n_x和n_y分别为两个方向上的扫描点数。

透声性能角谱计算的具体方法为：

由公式（9）或公式（13）可得n_x×n_y个扫描点上的透射系数：

$\left(\begin{array}{cccc}{t}_p(k_{x0},k_{y0})& t_p(k_{x1},k_{y0})& ...& t_p(k_{x(n_x-1)},k_{y0})\\ t_p(k_{x0},k_{y1})& t_p(k_{x1},k_{y1})& ...& t_p(k_{x(n_x-1)},k_{y1})\\ .& & & \\ .& & & \\ .& & & \\ t_p(k_{x0},k_{y(n_y-1)})& t_p(k_{x1},k_{y(n_y-1)})& ...& t_p(k_{x(n_x-1)},k_{y(n_y-1)})\end{array}\right)$

对于任意频率f，每个扫描点对应一个测量角度：

$\left(\begin{array}{cccc}{\sin }^{-1}\left(\frac{c\·{(k_{x0}^2+k_{y0}^2)}^{1/2}}{2\mathrm{\πf}}\right)& {\sin }^{-1}\left(\frac{c\·{(k_{x1}^2+k_{y0}^2)}^{1/2}}{2\mathrm{\πf}}\right)& ...& {\sin }^{-1}\left(\frac{c\·{(k_{x(n_x-1)}^2+k_{y0}^2)}^{1/2}}{2\mathrm{\πf}}\right)\\ {\sin }^{-1}\left(\frac{c\·{(k_{x0}^2+k_{y1}^2)}^{1/2}}{2\mathrm{\πf}}\right)& {\sin }^{-1}\left(\frac{c\·{(k_{x1}^2+k_{y1}^2)}^{1/2}}{2\mathrm{\πf}}\right)& ...& \sin {-1}^{}\left(\frac{c\·{(k_{x(n_x-1)}^2+k_{y1}^2)}^{1/2}}{2\mathrm{\πf}}\right)\\ .& & & \\ .& & & \\ .& & & \\ {\sin }^{-1}{\left(\frac{c\·(k_{x0}^2+k_{y(n_y-1)}^2)}{2\mathrm{\πf}}\right)}^{1/2}& {\sin }^{-1}\left(\frac{c\·{(k_{x1}^2+k_{y(n_y-1)}^2)}^{1/2}}{2\mathrm{\πf}}\right)& ...& {\sin }^{-1}\left(\frac{c\·{(k_{x(n_x-1)}^2+k_{y(n_y-1)}^2)}^{1/2}}{2\mathrm{\πf}}\right)\end{array}\right)$

其中，可能存在相同的测量角度，理论上其对应的透射系数也应该一样，实测时可能存在些许差异，可将相同角度的透射系数加权平均值作为该角度的透射系数测量结果。

由此可以计算整个频段的透声性能角谱，同样也可以计算指定角度下，水声材料透声性能的频谱。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种测量水声材料透声性能角谱的方法，其特征在于：该方法通过三个测试面上复声压测试，分离出不同频率、不同入射角度样品表面的入射波分量和透射波分量，从而得到样品的声压透射系数角谱，具体包括如下步骤：

步骤一：假定声源位于待测样品上方z=zs处，在声源与待测材料间及待测材料背面，z=z1、z=z2和z=z3设定为三个测量面，测量面与待测材料互相平行，并假定z=0平面与待测材料重合，且原点与材料几何中心重合；

步骤二：声源发射宽带信号，利用二维傅立叶变换则z=z1、z=z2和z=z3三个测量面上的复声压分解为各个方向上的平面波分量：

$P(k_x,k_y,z_1)=\∫\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}p(x,y,z_1)e^{-j(k_{x}x+k_{y}y)}\mathrm{dxdy}---\left(1\right)$

$P(k_x,k_y,z_2)=\∫\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}p(x,y,z_2)e^{-j(k_{x}x+k_{y}y)}\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

$P(k_x,k_y,z_3)=\∫\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}p(x,y,z_3)e^{-j(k_{x}x+k_{y}y)}\mathrm{dxdy}---\left(3\right)$

步骤三：z1、z2面上的各平面波分量又可以用被测样品平面上的不同频率入射波和反射波平面分量表示：

P(k_x,k_y,z₁)=P_i(k_x,k_y,0)exp(jk_zz₁)+P_r(k_x,k_y,0)exp(-jk_zz₁)   （4）

P(k_x,k_y,z₂)=P_i(k_x,k_y,0)exp(jk_zz₂)+P_r(k_x,k_y,0)exp(-jk_zz₂)   （5）

通过式（4）和（5），可以分离出z=0面上入射平面波：

$P_i(k_x,k_y,0)=\frac{P(k_x,k_y,z_1)\exp (-j{k}_z{z}_2)-P(k_x,k_y,z_2)\exp (-j{k}_z{z}_1)}{\exp (j{k}_z{z}_1-j{k}_z{z}_2)-\exp (j{k}_z{z}_2-j{k}_z{z}_1)}---\left(6\right)$

步骤三：根据平面波传播原理，z=z3面上无样品时入射平面波为：

P_i(k_x,k_y,z₃)=P_i(k_x,k_y,0)exp(-jk_zz₃)       （7）

z=z3面上有样品时入射平面波为：

P_t(k_x,k_y,z₃)=P(k_x,k_y,z₃)       （8）

步骤四：由式（9）可以计算得到声波任意入射方向的声压透射系数：

$\begin{array}{c}{t}_p(k_x,k_y)=\frac{P_t(k_x,k_y,z_3)}{P_i(k_x,k_y,z_3)}\\ =\frac{P(k_x,k_y,z_3)\·(\exp (j{k}_z{z}_1-j{k}_z{z}_2)-\exp (j{k}_z{z}_2-j{k}_z{z}_1))}{P(k_x,k_y,z_1)\exp (-j{k}_z{z}_2-j{k}_z{z}_3)-P(k_x,k_y,z_2)\exp (-j{k}_z{z}_1-j{k}_z{z}_3)}\end{array}---\left(9\right)$ 入射波的入射角度由下式确定：

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}[{(k_x^2+k_y^2)}^{1/2}/k_0]---\left(10\right)$

式中 $k_0=\sqrt{k_x^2+k_y^2+k_z^2}=2\mathrm{\πf}/c,$ f为声波频率。

2.一种测量水声材料透声性能角谱的方法，其特征在于：该方法通过吊放一次待测试样，对同一测试面上复声压进行两次测试，分离出不同频率、不同入射角度样品表面的入射波分量和透射波分量，从而得到样品的声压透射系数角谱，具体包括如下步骤：

步骤一：假定声源位于待测样品上方z=zs处，在待测材料背面，z=z1设定为测量面，测量面与待测材料互相平行，并假定z=0平面与待测材料重合，且原点与材料几何中心重合；

步骤二：声源发射宽带信号，在无试样情况下，z=z1测量面上的复声压分解为各个方向上的平面波分量，即入射平面波分量：

$P_i(k_x,k_y,z_1)=P(k_x,k_y,z_1)=\∫\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}p(x,y,z_1)e^{-j(k_{x}x+k_{y}y)}\mathrm{dxdy}---\left(11\right)$

步骤三：放入待测试样，采集z=z1测量面上的复声压，可以得到各个方向上透射平面波分量：

$P_t(k_x,k_y,z_1)=P^{\′}(k_x,k_y,z_1)=\∫\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{p}^{\′}(x,y,z_1)e^{-j(k_{x}x+k_{y}y)}\mathrm{dxdy}---\left(12\right)$

步骤四：由式（13）可以计算得到声波任意入射方向的声压透射系数：

$t_p(k_x,k_y)=\frac{P_t(k_x,k_y,z_1)}{P_i(k_x,k_y,z_1)}=\frac{P^{\′}(k_x,k_y,z_1)}{P(k_x,k_y,z_1)}---\left(13\right)$

入射波的入射角度同式（10）。

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