CN104501938A - 一种在置于空气中的矩形混响水槽内测量水下声源低频辐射声功率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及声源辐射声功率的测量方法，尤其是涉及一种在置于空气中的矩形混响水槽内测量水下声源低频声功率的方法。本发明包括：将声源固定在混响水槽中的一个位置发射，水听器固定在另一个位置测量出接收位置的声压幅值；采用考虑水槽壁结构对声场影响的混响水槽简正频率计算算法，确定该测量水槽声场的各阶简正频率；将步骤(1)测量得到的声压幅值和步骤(2)确定的水槽声场简正频率作为输入参数，采用混响水槽内计算自由场声功率的算法，确定待测声源在自由场中的声功率。本发明不需要已知声源对混响水槽声场校正。确定水槽内声场的简正频率和速度势函数时，考虑了水槽壁结构对声场的影响，使水槽内声场计算结果更为准确。
Description
技术领域
本发明涉及声源辐射声功率的测量方法，尤其是涉及一种在置于空气中的矩形混响水槽内测量水下声源低频声功率的方法。
背景技术
测量水下声源辐射声功率的主要应用场合有：潜艇、鱼雷等水下航行器的噪声评价及其控制；水下作业设备的噪声评价及其控制；水声换能器的声源级标定等。在混响水槽中测量声源的辐射声功率相对自由场测试，具有操作简单、测试信噪比高、测量重复性好等优势。由于水槽的低频域内简正模态少、声场分布不均匀限制了混响水槽的低频应用，因此传统利用混响水槽测量声功率的方法是在下限频率以上频域内基于混响法原理进行的，具体的实施过程参照了空气中混响室的测量规范ISO 3382-1,2009。
中国学者李琪最先将简正波理论应用到了水筒噪声的测量应用中，测量空间平均声压时利用了空间移动平均技术克服了边界对声场的干涉影响(李琪.水筒噪声测量方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院，1990)。此后关于利用混响水槽测量声源声功率的研究仅局限于在满足混响条件下对不同复杂声源声辐射特性的测量研究，并没有将水槽的应用频域向低频拓展；直到唐锐研究出混响水槽声场与自由场存在与声源特性无关的固有传递特性，使得混响水槽的频率应用范围极大地向低频拓展(唐锐.水下壳体结构低频声辐射预报方法与试验测试技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013)，而这种测量方法需要在水槽的混响控制区内测量空间平均声压，一旦声源发射的低频非简正频率强度不满足测量信噪比要求则此方法失效。目前尚未见到不需要已知声源对水槽声场校正的混响水槽测量声源低频声功率的方法报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在置于空气中的矩形混响水槽内不需要已知声源对声场校正的测量水下声源低频声功率的方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种在置于空气中的矩形混响水槽内测量水下声源低频辐射声功率的方法：
(1)将声源固定在混响水槽中的一个位置发射，水听器固定在另一个位置测量出接收位置的声压幅值；
(2)采用考虑水槽壁结构对声场影响的混响水槽简正频率计算算法，确定该测量水槽声场的各阶简正频率；
(3)将步骤(1)测量得到的声压幅值和步骤(2)确定的水槽声场简正频率作为输入参数，采用混响水槽内计算自由场声功率的算法，确定待测声源在自由场中的声功率。
声压幅值是指在远离水槽边界的声场区域内，即发射换能器放置于其辐射面距离水槽壁面和水面大于发射换能器结构最大线度的区域、水听器放置于其接收面距离水槽壁面和水面大于水听器结构最大线度的区域，首先将声源固定在任意一个位置处，并按照预要获得的自由场环境的待测声源辐射声功率的激励稳态发射；水听器接收位置选择在满足测量信噪比要求的另一任意位置，进行时间平均的声压幅值频域采集。
确定水槽声场的简正频率，采用考虑水槽壁结构对声场影响的混响水槽简正频率计算算法，该算法在笛卡尔坐标系下的x,y,z方向分别建立了简正频率分量的复频域本征方程；求解简正频率分量的复频域本征方程时，采用搜根法确定x,y,z方向各阶简正频率分量的本征值，并合成得到矩形水槽中的各阶简正频率。
确定声源在自由场中的声功率，采用混响水槽内计算自由场声功率的算法，该算法首先根据简正波理论和由步骤(2)得到的简正频率确定考虑水槽壁结构影响的槽内声场一般速度势函数，利用一般速度势函数，把声源在自由场中声源级和声源在混响水槽内的声压建立起联系；进一步利用步骤(1)测量到的声压幅值对该算法计算的自由场声功率幅度进行校正。
本发明与现有技术相比，其显著优点是在于(1)操作简便、效率高，测试成本低，不需要已知声源对混响水槽声场校正。(2)确定水槽内声场的简正频率和速度势函数时，考虑了水槽壁结构对声场的影响，使水槽内声场计算结果更为准确。(3)可适用于混响水槽首阶简正频率以下频域的声功率测量。
附图说明
图1矩形混响水槽低频声功率测量方法框图；
图2测量系统示意图；
图3混响水槽长度方向测量与自由场声功率比较；
图4混响水槽宽度方向测量与自由场声功率比较；
图5混响水槽深度方向测量与自由场声功率比较。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明的在置于空气中的矩形混响水槽内测量声源低频声功率的方法，该方法包括以下步骤，如图1示：
(1)在混响水槽中，实验测量声源在一个固定位置发射时水听器在另一个固定位置接收到的声压幅值。在远离水槽边界的声场区域内，即发射换能器放置于其辐射面距离水槽壁面和水面大于发射换能器结构最大线度的区域、水听器放置于其接收面距离水槽壁面和水面大于水听器结构最大线度的区域，首先将声源固定在任意一个位置处，并按照预要获得的自由场环境的待测声源辐射声功率的激励稳态发射；水听器接收位置选择在满足测量信噪比要求的另一任意位置，进行时间平均的声压幅值频域采集。
(2)根据混响水槽实际的结构材料属性、尺度以及槽内水位深度、温度，采用考虑水槽壁结构对声场影响的混响水槽简正频率计算算法，确定槽内的简正频率。在建立简正频率的本征方程时，将水槽壁与槽内声压写成行波的叠加形式，根据声压与振速在边界处满足的边界条件，在笛卡尔坐标系下的x,y,z方向分别建立简正频率分量的复频域本征方程；采用搜根法分别求解x,y,z方向简正频率分量的复频域本征方程，求解时通过使x,y,z方向各阶简正频率分量的复频域本征方程实部和虚部同时为零确定其本征值，并合成得到矩形水槽中的各阶简正频率。
(3)提取步骤(1)水听器在各频率处采集到的声压幅值，并将记录下的水槽结构参数、水位、水温、声源发射位置、水听器接收位置，以及由步骤(2)确定出的槽内简正频率作为输入参数，采用混响水槽内计算自由场声功率的算法确定待测声源在自由场的实际声功率。在建立混响水槽内声压与自由场中声源级的关系时，首先根据简正波理论和由步骤(2)得到的简正频率确定考虑水槽壁结构影响的槽内声场一般速度势函数，利用一般速度势函数，把声源在自由场中声源级和声源在混响水槽内的声压建立起联系
其中，SL表示声源在自由场中的声源级；pf表示自由场中距离声源1m处的声压值，pref表示参考声压；表示由步骤(1)得到的声源在r0位置时r位置处的声压幅值；Ψ表示pf和之间的内在关系，由步骤(2)得到的一般速度势函数确定。进一步根据SL＝170.8+101gPa获得声源在自由场中的声功率，其中Pa表示无指向性声源的辐射声功率。
下面以置于空气中的矩形玻璃水槽中测量低频声功率为例，对本发明做详细说明。矩形水槽上端开口，置于空气中，并将其与地面腾空。玻璃水槽内长1.474m，内宽0.9m，水面距槽底高0.6m，玻璃水槽壁厚0.013m，玻璃中声速cglass＝5600m/s，密度ρglass＝2300kg/m3；水温25摄氏度，水中声速cwater＝1498m/s，密度ρwater＝1000kg/m3；水槽的下限频率为7kHz，预在此水槽测量EDO 6829-24k换能器1400Hz的辐射声功率。测量系统如图2所示：发射信号经功率放大器(Instruments,INC.L2)固定增益放大后加到换能器(EDO 6829-24k)上，水听器阵(B&K 8103)拾取到的信号再由动态信号分析仪采集(B&K PULSE3660D)并以声压平方的形式存储在计算机中。其中水听器阵为水槽宽度方向上8行×4列的平面阵，可以根据测量需要移动该平面阵完成整个声场的采集。
根据本发明公开的方法编写了计算声源辐射声功率程序，该程序以玻璃水槽内简正频率和实测槽内声压幅值为输入参数。其中采用本发明公开方法计算出水槽内低于14kHz的各阶简正频率作为输入参量，并忽略高于14kHz各阶简正频率对槽内低频声场的影响。
采用水听器阵离散测量出声源在固定位置稳态发射时的槽内声压幅值分布。本实施例中的声源发射位置为x＝1.3m，y＝0.75m，z＝0.3m。利用水听器阵在长度、宽度、深度方向(分别对应笛卡尔坐标系下的x、y、z方向)对整个声场进行了采集，根据不同路径采集到不同位置处声压幅值计算出的声源声功率与自由场测试结果比较，如图3、图4、图5所示。其中x、y、z及横坐标标示了不同位置处的测试结果。
结果分析：采用本发明提供的在混响水槽中测量低频声功率的方法，在混响水槽中不同路径各位置的测量结果与在自由场中的测量结果都能极好的吻合，偏差小于2dB，因此采用本发明提供的方法在混响水槽中测量低频声功率是可信的，实际应用时只需在一个位置测量声压幅值即可。
Claims (4)
1.一种在置于空气中的矩形混响水槽内测量水下声源低频辐射声功率的方法，其特征在于：
(1)将声源固定在混响水槽中的一个位置发射，水听器固定在另一个位置测量出接收位置的声压幅值；
(2)采用考虑水槽壁结构对声场影响的混响水槽简正频率计算算法，确定该测量水槽声场的各阶简正频率；
(3)将步骤(1)测量得到的声压幅值和步骤(2)确定的水槽声场简正频率作为输入参数，采用混响水槽内计算自由场声功率的算法，确定待测声源在自由场中的声功率。
2.根据权利要求1所述的一种在置于空气中的矩形混响水槽内测量水下声源低频辐射声功率的方法，其特征在于：
所述的声压幅值是指在远离水槽边界的声场区域内，即发射换能器放置于其辐射面距离水槽壁面和水面大于发射换能器结构最大线度的区域、水听器放置于其接收面距离水槽壁面和水面大于水听器结构最大线度的区域，首先将声源固定在任意一个位置处，并按照预要获得的自由场环境的待测声源辐射声功率的激励稳态发射；水听器接收位置选择在满足测量信噪比要求的另一任意位置，进行时间平均的声压幅值频域采集。
3.根据权利要求1所述的一种在置于空气中的矩形混响水槽内测量水下声源低频辐射声功率的方法，其特征在于：
所述的确定水槽声场的简正频率，采用考虑水槽壁结构对声场影响的混响水槽简正频率计算算法，该算法在笛卡尔坐标系下的x,y,z方向分别建立了简正频率分量的复频域本征方程；求解简正频率分量的复频域本征方程时，采用搜根法确定x,y,z方向各阶简正频率分量的本征值，并合成得到矩形水槽中的各阶简正频率。
4.根据权利要求1所述的一种在置于空气中的矩形混响水槽内测量水下声源低频辐射声功率的方法，其特征在于：
所述的确定声源在自由场中的声功率，采用混响水槽内计算自由场声功率的算法，该算法首先根据简正波理论和由步骤(2)得到的简正频率确定考虑水槽壁结构影响的槽内声场一般速度势函数，利用一般速度势函数，把声源在自由场中声源级和声源在混响水槽内的声压建立起联系；进一步利用步骤(1)测量到的声压幅值对该算法计算的自由场声功率幅度进行校正。
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