CN104792877B - 水下去耦抑振材料去耦性能测量方法 - Google Patents

Abstract

一种水下去耦抑振材料去耦性能测量方法，包括以下步骤：1)去耦抑振材料去耦性能测量系统布放；2)无覆盖层(去耦抑振材料)情况试样的辐射声功率和输入机械功率测量，以及归一化辐射声功率计算；3)有覆盖层情况试样的辐射声功率和输入机械功率测量，以及归一化辐射声功率计算；4)利用无覆盖层及有覆盖层情况测量得到的归一化辐射声功率，计算辐射声功率插入损失计算。与现有的去耦抑振材料去耦性能测量方法相比，本发明的技术优势主要表现在首次将水下耐压稳态激振器应用于试样稳态激振，可输出不同频率的稳态信号，并通过动态力传感器及加速度传感器测量激振器输入到试样的机械功率，利用输入机械功率归一化试样辐射声功率，从而确保辐射声功率插入损失测量的准确性。

Description

水下去耦抑振材料去耦性能测量方法

技术领域

本发明涉及一种水下去耦抑振材料去耦性能的测量方法。去耦抑振材料对设备机械振动具有去耦和抑振功能，能够有效地降低水下航行器的振动辐射噪声。随着我国国防事业日益发展，对该类材料在水声环境中的声学性能评估愈发显得重要。本发明首先定义结构辐射声功率插入损失，利用该物理量表征去耦抑振材料去耦性能，并利用水下稳态激振器激励结构振动，通过水听器阵测量振动产生的辐射声，经数据处理计算得到去耦抑振材料去耦性能测量值。

背景技术

我国海洋资源丰富广袤，近年来随着潜艇等水下航行器等的发展，其隐身性能日益受到重视。在航行器表面敷设声学无源材料是提高隐身性能较为有效的一种方式，去耦抑振材料是较普遍使用的一种材料，其可实现水下航行器内部结构振动与辐射声之间的去耦，降低由内部结构振动引起的声辐射能量，起到隐身效果。因此进行去耦抑振材料去耦性能的评估，在水下航行器减振降噪工作中具有重要的实际意义。

为获取水下结构声辐射量，目前主要有数值方法和实验方法两类。数值方法主要包括限元法、统计能量法、波传递法、模态分析法等；实验测量方法主要有声压法、声强法、传递函数法等。上述方法各有特点，也存在各自的不足。对于数值计算方法，其不足主要是对于目前大规模使用的粘弹性材料该类方法仍缺乏有效和准确的算法。实验测量对于数值计算相对可靠，然而现有测量方法多针对小试样，且难以保持在敷设去耦抑振材料前后输入试样的机械功率一致，是测量结果产生偏差。

发明内容

针对以上存在的问题，本发明提供一种水下去耦抑振大样去耦性能测量方法。该方法把水下耐压稳态激振器应用于试样稳态激振，并首次通过连接激振器和试样的力传感器和加速度传感器测量激振器输入机械功率，通过输入机械功率归一化试样的辐射声功率，从而计算钢板在有/无去耦抑振材料情况下的辐射声功率插入损失，用于接表征去耦抑振材料去耦性能。本发明涉及的测量系统主要包括激振系统和水声测量两大系统，其中激振系统主要包含专用激振器、激振器专用功率放大器。水声测量系统主要包含主控计算机(发射采集系统软件、去耦性能评估专用处理软件)、多通道数据采集器、多通道滤波放大器以及水听器接收阵、加速度传感器和力传感器。

本发明为测量试样辐射声功率插入损失所采用的技术方案是：

一种水下去耦抑振材料去耦性能测量方法，包括以下步骤：

1)去耦抑振材料去耦性能测量系统布放；

首先，进行整体测量系统布放工作，激振器安装于试样背侧，通过力传感器与试样硬连接。水听器接收阵放置于试样另一侧，两者尽量靠近，接收阵用于试样前向辐射声功率的测量。

2)无去耦抑振材料覆盖层情况试样的辐射声功率和输入机械功率测量，以及归一化辐射声功率计算；

利用激振器激励无覆盖层试样，加速度传感器记录无覆盖层情况下钢板试样激励点加速度，记幅度为其中i表示无覆盖层情况下的物理量，力传感器测得试样受力，记幅度为其中k＝1,2,3表示传感器编号。根据加速度传感器幅度及力传感器幅度可得稳态激振器有效输入功率：

其中ω表示测量对应的角频率。

激振器激励试样时，水听器接收阵同时记录试样辐射的声信号，设无覆盖层情况下各测量点声压为ρ为水的密度，c为水的声速，Δs_n为测量点对应的网格化面积，则相应的辐射声功率为：

其中符号<·>表示多次测量取平均值。利用激振器有效输入功率对辐射声功率Wⁱ进行归一化处理，得到归一化后的辐射声功率：

3)有去耦抑振材料覆盖层情况试样的辐射声功率和输入机械功率测量，以及归一化辐射声功率计算；

将无覆盖层试样替换成有覆盖层试样，利用激振器激励有覆盖层试样，加速度传感器记录有覆盖层情况下试样激励点加速度，记幅度为其中t表示有覆盖层情况下的物理量，力传感器测得试样受力，记幅度为根据加速度传感器幅度及力传感器幅度可得稳态激振器有效输入功率：

激振器激励有覆盖层试样时，水听器接收阵同时记录各测量点声压为则相应的辐射声功率为：

利用激振器有效输入功率对辐射声功率W^t进行归一化处理，得到归一化后的辐射声功率：

4)辐射声功率插入损失计算；

将有覆盖层得到的归一化辐射声功率除以无覆盖层归一化辐射声功率，转换成分贝后可得辐射声功率插入损失为：

本发明的技术构思为：把水下耐压稳态激振器应用于试样稳态激振，并首次通过连接激振器和试样的力传感器和加速度传感器测量激振器输入机械功率，通过输入机械功率归一化试样的辐射声功率，从而计算钢板在有/无去耦抑振材料情况下的辐射声功率插入损失，用于评估材料的去耦抑振性能。

与现有的去耦抑振材料去耦性能测量方法相比，本发明的优点主要表现在：提出了一种基于水下耐压稳态激振器的去耦抑振材料输入功率测量方法，首次将水下耐压稳态激振器应用于试样稳态激振，与以往激发枪瞬时激励被测试样不同，该激振系统可输出不同频率的稳态信号，并通过连接激振器及被测试样的动态力传感器及安装在试样上的加速度传感器测量激振器输入到试样的机械功率，利用输入机械功率归一化试样辐射声功率，从而确保辐射声功率插入损失测量的准确性。

附图说明

图1是本发明方法的测量系统整体示意图。

图2是测量接收阵阵形，其中黑色点为水听器安装位置。

图3是接收阵与试样在水下布放实物图。

图4是试样在常压、0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa及3MPa压力环境下不同频率辐射声功率插入损失测量结果。

图5是试样常压、0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa及3MPa压力环境下不同频率辐射声功率插入损失A类不确定度测量结果。

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5，一种水下去耦抑振材料去耦性能测量方法，用于去耦抑振材料去耦性能测试。整套测量方法的技术方案如下：

1)去耦抑振材料去耦性能测量系统布放

首先，进行整体测量系统布放工作，将激振系统和水声测量两大系统按照图1所示连接，其中水听器接收阵如图2所示，接收阵用于试样前向辐射声功率的测量，接收阵与试样在水下布放实物图如图3。按图1连接仪器线路之后，进行系统工作正常性的检查。

2)无覆盖层(去耦抑振材料)情况试样的辐射声功率和输入机械功率测量，以及归一化辐射声功率计算

利用激振器激励无覆盖层试样，加速度传感器及力传感器分别测得试样激励点加速度幅度和试样受力幅度则根据物理公式可得稳态激振器有效输入功率：

激振器激励试样时，水听器接收阵同时记录试样辐射的声信号，如技术方案所述，相应的辐射声功率为：

利用激振器有效输入功率对辐射声功率Wⁱ进行归一化处理，得到归一化后的辐射声功率：

3)有覆盖层情况试样的辐射声功率和输入机械功率测量，以及归一化辐射声功率计算

将无覆盖层试样替换成有覆盖层试样，利用激振器激励有覆盖层试样，加速度传感器及力传感器分别测得试样激励点加速度幅度和试样受力幅度则根据物理公式可得稳态激振器有效输入功率：

激振器激励有覆盖层试样时，水听器接收阵同时记录各测量点声压为则相应的辐射声功率为：

利用激振器有效输入功率对辐射声功率W^t进行归一化处理，得到归一化后的辐射声功率：

4)辐射声功率插入损失计算

将有覆盖层得到的归一化辐射声功率除以无覆盖层归一化辐射声功率，转换成分贝后可得辐射声功率插入损失为：

实例说明：为验证本发明在去抑振材料去耦性能测量中的有效性，开展了压力罐环境的实验验证工作。实验中根据辐射声场特点，水听器阵分布在9个不同直径的圆环上，如图2所示，最小圆的半径为10cm，每隔10cm一个圆环，共计9个圆环，最大圆环的半径为90cm。圆心布放一个水听器，最小圆上布放2个水听器，接近边界的最大两个圆环上别布放2个水听器，间隔180度，其余圆环上均匀布放4个水听器,相邻圆环上的水听器交叉布放，以利于对没有布放水听器区域声压进行插值计算，整个接收阵共计31个水听器。钢板试样尺寸为1.3m×1.1m×0.03m，杨氏模量为200GPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m³。该试验开展了200Hz-2.6kHz频率的数据采集和处理。图4是常压、0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa及3MPa压力环境下不同频率辐射声功率插入损失测量结果，图中显示的结果为各压力环境下多次测量结果的平均值。由图可知，整体上，常压环境下辐射声功率插入损失较大，随着压力的增加，辐射声功率插入损失基本呈下降趋势。图5是常压、0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa及3MPa压力环境下不同频率点辐射声功率插入损失A类不确定度测量结果，由图可知，不同频率点及压力环境下测量值均有波动，主要的原因是(1)测量系统的共振区可能对测量结果的波动造成影响，从实验结果分析，水体压力可改变系统的共振频率；(2)在钢板试样及贴瓦试样上安装稳态激振器时，存在机械安装误差。另外，激振器多次激励过程中对于相关连接机构实际上是疲劳试验，可导致力传感器测量的不确定性，尤其在频率较高时，力传感器的测量误差可能增加，使测量结果的不确定度增加。然而，在整个测量频率范围内A类不确定度均小于2dB，验证了测量方法的有效性。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种水下去耦抑振材料去耦性能测量方法，包括以下步骤：

1)去耦抑振材料去耦性能测量系统布放；

首先，进行整体测量系统布放工作，激振器安装于试样背侧，通过力传感器与试样硬连接；水听器接收阵放置于试样另一侧，两者尽量靠近，接收阵用于试样前向辐射声功率的测量；

2)无去耦抑振材料覆盖层情况试样的辐射声功率和输入机械功率测量，以及归一化辐射声功率计算；

利用激振器激励无覆盖层试样，加速度传感器记录无覆盖层情况下钢板试样激励点加速度，记幅度为其中i表示无覆盖层情况下的物理量，力传感器测得试样受力，记幅度为其中k＝1,2,3表示传感器编号；根据加速度传感器幅度及力传感器幅度可得稳态激振器有效输入功率：

$W_{in}^i=\frac{1}{2\mathrm{\&omega;}}{A}_a^i(F_1^i+F_2^i+F_3^i)$

其中ω表示测量对应的角频率；

激振器激励试样时，水听器接收阵同时记录试样辐射的声信号，设无覆盖层情况下各测量点声压为ρ为水的密度，c为水的声速，Δs_n为测量点对应的网格化面积，则相应的辐射声功率为：

$W^i=\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\frac{<p_n^i{>}^2}{\mathrm{\&rho;}c}{\mathrm{\&Delta;s}}_n$

其中符号<·>表示多次测量取平均值；利用激振器有效输入功率对辐射声功率Wⁱ进行归一化处理，得到归一化后的辐射声功率：

$W_n^i=W^i/W_{in}^i$

3)有去耦抑振材料覆盖层情况试样的辐射声功率和输入机械功率测量，以及归一化辐射声功率计算；

将无覆盖层试样替换成有覆盖层试样，利用激振器激励有覆盖层试样，加速度传感器记录有覆盖层情况下试样激励点加速度，记幅度为其中t表示有覆盖层情况下的物理量，力传感器测得试样受力，记幅度为根据加速度传感器幅度及力传感器幅度可得稳态激振器有效输入功率：

$W_{in}^t=\frac{1}{2\mathrm{\&omega;}}{A}_a^t(F_1^t+F_2^t+F_3^t)$

激振器激励有覆盖层试样时，水听器接收阵同时记录各测量点声压为则相应的辐射声功率为：

$W^t=\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\frac{<p_n^t{>}^2}{\mathrm{\&rho;}c}{\mathrm{\&Delta;s}}_n$

利用激振器有效输入功率对辐射声功率W^t进行归一化处理，得到归一化后的辐射声功率：

$W_n^t=W^t/W_{in}^t$

4)辐射声功率插入损失计算；

将有覆盖层得到的归一化辐射声功率除以无覆盖层归一化辐射声功率，转换成分贝后可得辐射声功率插入损失为：

${\mathrm{IL}}_w=10\lg \frac{W_n^i}{W_n^t}.$