CN106768303B - 两列平面声波非线性相互作用实验测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及声波相互作用领域，具体涉及一种两列平面声波非线性相互作用实验测试系统及方法。本发明为解决两列声波相互作用后低频声波能量变化的实验测量问题，提出了湖上实验测量两列平面声波非线性相互作用实验测试系统及方法。本发明的平面声波非线性相互作用实验测试系统包括低频发射系统、高频发射系统、发射架、接收系统、示波器，本发明的平面声波非线性相互作用实验测试方法包括如下步骤：1、安装装置；2、单独发射低频声波，记录数据；3、单独发射高频声波，记录数据；4、同时发射高低频声波，记录数据；5、根据实验数据得到能量变化。本发明解决了两列声波相互作用后低频声波能量变化的测量问题，适用于声波能量的控制领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种声波相互作用实验测试装置及方法，具体涉及一种两列平面声波非线性相互作用实验测试装置及方法。
背景技术
在上世纪70～80年代中叶，声波之间的非线性相互作用问题引起俄罗斯、美国、中国等国家声学工作者的重视，发表了一些文章，探讨了声波之间相互作用的影响因素及声波间能量转移的关系。
近年，我国逐渐投入更多的人力物力深入对舰船辐射噪声控制方面开展研究工作，由于被动噪声控制方法存在一定的缺陷，所以近年来研究人员一直致力于研究主动噪声控制技术的理论和实验研究工作，不仅研究了单列声波的非线性传播特性，而且研究了两列声波在不同幅值比，不同频率比，不同初始相位差情况下的相互作用效果与低频声波的能量转移的理论情况，但研究多为理论研究和基于理想状态下的仿真研究，结果与实际情况存在出入。
发明内容
本发明为了解决两列声波相互作用后低频声波能量变化的实验测量，结果与实际情况存在出入的问题，进而提出了湖上实验测量两列平面声波非线性 相互作用实验测试系统及方法。
本发明为实现上述目的采取的具体方式是：所述两列平面声波非线性 相互作用实验测试系统，包括低频发射系统A、高频发射系统B、发射架C、接收系统D；
所述低频发射系统包括第一信号源、第一功率放大器和低频发射换能器；
所述高频发射系统包括第二信号源、第二功率放大器和四个高频发射换能器；所述四个高频发射换能器构成高频发射换能器阵；
所述发射架C为“井”字形支架结构；
所述接收系统D包括水听器、测量放大器、信号采集器、计算机和示波器；
所述高频发射换能器阵布置于发射架C的正面，低频发射换能器固定在发射架背面；
所述第一信号源的输出端连接第一功率放大器的输入端，所述第一功率放大器的输出端连接低频发射换能器；
所述第二信号源的输出端连接第二功率放大器的输入端，所述第二功率放大器的输出端连接每个高频发射换能器；
所述水听器的输出端连接测量放大器的输入端，所述测量放大器的输出端分别连接示波器的输入端和信号采集器的输入端，所述信号采集器的输出端连接计算机，示波器的输入端还与第一信号源的输出端连接。
进一步地，所述的两列平面声波非线性 相互作用实验测试系统，每个高频发射换能器的指向性开角为10度；所述低频发射换能器为无指向性发射换能器，形状为圆柱形。
进一步地，所述的两列平面声波非线性 相互作用实验测试系统，所述低频发射换能器正对高频发射换能器阵中心。
进一步地，所述的两列平面声波非线性 相互作用实验测试系统，低频发射换能器的发射面与水听器的接收面平行。
两列平面声波非线性 相互作用实验测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、选择合适的湖面，安装放置实验测试系统；
步骤2、设置低频波发射参数，单独发射低频声波，第一信号源发射出的频率为f1的低频声波经第一功率放大器和低频发射换能器后发射出，被设置在一定的测试距离上的水听器接收，存储本次实验数据；
步骤3、设置高频波发射参数，单独发射高频声波，第二信号源发射出的频率为f2的高频声波经第二功率放大器和四个高频发射换能器后发射出，被设置在一定的测试距离上的水听器接收，存储本次实验数据；
步骤4、保持声波发射幅值不变，同时发射高频和低频声波，第一信号源和第二信号源分别发射出频率为f1和f2的两列声波，这两列声波分别经第一功率放大器和低频发射换能器及第二功率放大器和四个高频发射换能器后发射出，被设置在与步骤3相同测试距离上的水听器接收，存储本次实验数据；
步骤5、处理实验数据，做出功率谱图，从步骤2所得数据做出的功率谱图上获得频率f1处的功率谱值E1，从步骤4所得数据做出的功率谱图上获得频率f1处的功率谱值E2，记录两种情况的能量差值ΔE＝E1-E2；
步骤6、保持声波的发射参数不变，改变发射架C中心到水听器的距离，重复步骤2-5，记录实验数据；
步骤7、根据步骤2-6中记录的数据，得到低频声波能量随距离变化曲线。
进一步地，所述两列平面声波非线性 相互作用实验测试方法，所述步骤1中实验测试系统布放方法为：在两侧岸上用牵引绳将大船固定在水中，低频发射换能器5与高频发射换能器固定在发射架上，间距0.2m，高频发射换能器斜向间距L为0.85m，低频发射换能器位于高频发射换能器阵的后侧，发射架固定于大船舷侧水下5m处，引导绳一端固定在船侧，另一端用铅鱼固定，用浮球将其浮在水中，水听器通过延长缆布，深度与发射架相同，放在发射架正前方。
进一步地，所述两列平面声波非线性 相互作用实验测试方法，所述步骤2中低频发射换能器发射声波频率f1为8kHz，信号源峰峰值400mv，第一功率放大器调制40dB档。
进一步地，所述两列平面声波非线性 相互作用实验测试方法，所述步骤中高频发射换能器发射声波频率f2为144kHz，信号源峰峰值500mv，第二功率放大器调制50dB档。
进一步地，所述两列平面声波非线性 相互作用实验测试方法，所述步骤6中改变发射架 C中心到水听器的距离，所述距离分别为：5m，10m，15m，27m，38m，45m。
有益效果：本发明通过外场湖上实验，测量了真实环境中两列平面声波非线性 相互作用后，低频高强声波的能量变化，给出声波能量的控制效果，结果真实客观，能够反映实际情况，力求为主动噪声控制技术提供一定的技术参考，并可以为舰船辐射噪声主动控制提供参考。
为研究声波之间非线性相互作用后的能量变化，分析了两列声波非线性相互作用后低频声波幅值的表现形式，探究了高频声波声源级、频率对声波相互作用后低频声波能量的影响，给出了不同探测距离处低频声波能量变化规律；在湖上对声波间非线性相互作用进行了实验测试，给出了不同测试距离处低频声波声能量的改变值。通过理论研究与实验测试结果分析得知，适当的控制高频声波声源级参数、频率参数和测试距离，可以在某些测试点上实现低频声波能量的降低。实验表明，在高频弱信号波的作用下，在一定的测试距离点上可实现抑制低频声波能量的作用。
附图说明
图1是实验测试系统连接框图；
图2是本发明的湖上实验布放示意图；
图3是高频发射换能器与低频发射换能器在发射架的位置示意图；
图4是实验能量变化曲线；
图5是能量改变值曲线。
具体实施方式
具体实施方式1：结合图1和图3说明本实施方式。本实施方式的两列平面声波非线性 相互作用实验测试系统，如图1所示，包括低频发射系统A、高频发射系统B、发射架C、接收系统D，
所述低频发射系统包括第一信号源1、第一功率放大器3和低频发射换能器5；
所述高频发射系统包括第二信号源2、第二功率放大器4和四个高频发射换能器6，所述四个高频发射换能器6构成高频发射换能器阵；
所述发射架C为“井”字形支架结构；
所述接收系统D包括水听器7、测量放大器8、信号采集器9、计算机10和示波器 11；
所述高频发射换能器阵布置于发射架C的正面，低频发射换能器5固定在发射架背面，如图3所示；
所述第一信号源1的输出端连接第一功率放大器3的输入端，所述第一功率放大器3 的输出端连接低频发射换能器5；
所述第二信号源2的输出端连接第二功率放大器4的输入端，所述第二功率放大器4 的输出端连接每个高频发射换能器6；
所述水听器7的输出端连接测量放大器8的输入端，所述测量放大器8的输出端分别连接示波器11的输入端和信号采集器9的输入端，所述信号采集器9的输出端连接计算机10，示波器11的输入端还与第一信号源1的输出端连接。
本实施方式的第一信号源1和第二信号源2采用Tek3102信号源；
本实施方式的第一功率放大器3采用B&K 2713功率放大器，本实施方式的第二功率放大器4采用L6功率放大器；
本实施方式的示波器11采用Tek 4034示波器；
本实施方式的测量放大器8采用B&K 2636测量放大器；
本实施方式的信号采集器9采用Pulse信号采集器；
本实施方式的水听器7采用B&K8106标准水听器。
具体实施方式2、结合图2～图5说明本实施方式，本实施方式的两列平面声波非线性 相互作用实验测试方法，包括如下步骤：
步骤1、选择合适的湖面，在两侧岸上用牵引绳将大船固定在水中，低频发射换能器 5与高频发射换能器6固定在发射架上，间距0.2m，高频发射换能器6斜向间距L为0.85m，如图3所示。低频发射换能器5位于高频发射换能器阵的后侧，发射架固定于大船舷侧水下5m处，引导绳一端固定在船侧，另一端用铅鱼固定，用浮球将其浮在水中，水听器7 通过延长缆布，深度与发射架相同，放在发射架正前方，如图2所示。
步骤2、设置低频发射换能器5发射声波频率f1为8kHz，信号源峰峰值400mv，第一功率放大器3调制40dB档，单独发射低频声波，第一信号源1发射出的频率为f1的低频声波经第一功率放大器3和低频发射换能器5后发射出，被设置在一定的测试距离上的水听器7接收，存储本次实验数据；
步骤3、设置高频发射换能器6发射声波频率f2为144kHz，信号源峰峰值500mv，第二功率放大器4调制50dB档，单独发射高频声波，第二信号源2发射出的频率为f2的高频声波经第二功率放大器4和四个高频发射换能器6后发射出，被设置在一定的测试距离上的水听器7接收，存储本次实验数据；
步骤4、保持声波发射幅值不变，同时发射高频和低频声波，第一信号源1和第二信号源2分别发射出频率为f1和f2的两列声波，这两列声波分别经第一功率放大器3和低频发射换能器5及第二功率放大器4和四个高频发射换能器6后发射出，被设置在与步骤 3相同测试距离上的水听器7接收，存储本次实验数据；
步骤5、处理实验数据，做出功率谱图，从步骤2所得数据做出的功率谱图上获得频率f1处的功率谱值E1，从步骤4所得数据做出的功率谱图上获得频率f1处的功率谱值E2，记录两种情况的能量差值ΔE＝E1-E2，如下表：
步骤6、令发射架C中心到水听器7的距离分别为：5m，10m，15m，27m，38m， 45m，重复步骤2-5，记录实验数据；
步骤7、根据步骤2-6中记录的数据，得到低频声波能量随距离变化曲线，如图4、图5所示。
本发明的声波相互作用原理：
当频率为ω的声波在非线性介质中传播时，如果声雷诺数(Re＝ρ0c0v/bω)较大，波形将发生畸变，与此同时滋生高次谐波，最终形成冲击波，可用伯格斯方程描述为：
式中，v为声波振速；β＝1+B/2A，B/A为介质的非线性参数；c0为静态声速；b为介质粘滞系数；ρ0为介质密度；τ＝t-x/c0为时间延迟；x为测量距离。
当雷诺数Re＞＞1时，可以只考虑介质的非线性效应，忽略耗散效应，式(1)可写成如下形式：
则，x＝0处两列声波振动叠加为：
式中，为高频弱声波在x＝0处的初始幅度、频率和相位；为低频强声波在x＝0处的初始幅度、频率和相位。
探讨两列声波频率关系满足ω1＝Nω2，N≥2、幅度关系满足v1/v2＜＜1时，两列声波相互作用后的幅值解，式(3)变为：
为简化计算，式(4)引入无量纲参数后有：
式中，V＝v/v2，R＝v1/v2，x0为有限振幅声波传播的间断距离。
式(4)在式(5)边界条件下，振速的隐函数解为：
为简化计算，引入新变量ξ＝ω2τ+Vz，式(6)简化为：
式(7)中U(ξ)是一个周期为2π的函数，对其进行傅立叶变换为
式(8)经运算后变为：
对式(9)的积分表达式进行指数分解后，变为：
式(10)的积分部分，为了Ak(z)≠0，需要满足l+qN-k＝0，所以泵波间断形成前，信号空间谱分量的动力学特性可写为关于q级数和的形式：
因此，声波之间非线性相互作用后低频声波的各阶谐波幅值U(τ,z)可表达为：
考虑到0≤z<1,D≤1,N≥2的限制，只考虑q＝0,1时的扩展项，则相互作用后低频声波幅值可表述为：
Claims (8)
1.两列平面声波非线性 相互作用实验测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、选择合适的湖面，安装放置实验测试系统；
步骤2、设置低频波发射参数，单独发射低频声波，第一信号源(1)发射出的频率为f1的低频声波经第一功率放大器(3)和低频发射换能器(5)后发射出，被设置在一定的测试距离上的水听器(7)接收，存储本次实验数据；
步骤3、设置高频波发射参数，单独发射高频声波，第二信号源(2)发射出的频率为f2的高频声波经第二功率放大器(4)和四个高频发射换能器(6)后发射出，被设置在一定的测试距离上的水听器(7)接收，存储本次实验数据；
步骤4、保持声波发射幅值不变，同时发射高频和低频声波，第一信号源(1)和第二信号源(2)分别发射出频率为f1和f2的两列声波，这两列声波分别经第一功率放大器(3)和低频发射换能器(5)及第二功率放大器(4)和四个高频发射换能器(6)后发射出，被设置在与步骤3相同测试距离上的水听器(7)接收，存储本次实验数据；
步骤5、处理实验数据，做出功率谱图，从步骤2所得数据做出的功率谱图上获得频率f1处的功率谱值E1，从步骤4所得数据做出的功率谱图上获得频率f1处的功率谱值E2，记录两种情况的能量差值ΔE＝E1-E2；
步骤6、保持声波的发射参数不变，改变发射架C中心到水听器(7)的距离，重复步骤2-5，记录实验数据；
步骤7、根据步骤2-6中记录的数据，得到低频声波能量随距离变化曲线；
所述步骤6中实验测试系统包括低频发射系统A、高频发射系统B、发射架C、接收系统D，
所述低频发射系统包括第一信号源(1)、第一功率放大器(3)和低频发射换能器(5)；
所述高频发射系统包括第二信号源(2)、第二功率放大器(4)和四个高频发射换能器(6)，所述四个高频发射换能器(6)构成高频发射换能器阵；
所述发射架C为“井”字形支架结构；
所述接收系统D包括水听器(7)、测量放大器(8)、信号采集器(9)、计算机(10)和示波器(11)；
所述高频发射换能器阵布置于发射架C的正面，低频发射换能器(5)固定在发射架C背面；
所述第一信号源(1)的输出端连接第一功率放大器(3)的输入端，所述第一功率放大器(3)的输出端连接低频发射换能器5；
所述第二信号源(2)的输出端连接第二功率放大器(4)的输入端，所述第二功率放大器(4)的输出端连接每个高频发射换能器(6)；
所述水听器(7)的输出端连接测量放大器(8)的输入端，所述测量放大器(8)的输出端分别连接示波器(11)的输入端和信号采集器(9)的输入端，所述信号采集器(9)的输出端连接计算机(10)，示波器(11)的输入端还与第一信号源(1)的输出端连接。
2.根据权利要求1所述两列平面声波非线性 相互作用实验测试方法，其特征在于，所述步骤1中实验测试系统布放方法为：在两侧岸上用牵引绳将大船固定在水中，低频发射换能器(5)与高频发射换能器(6)固定在发射架C上，间距0.2m，高频发射换能器(6)斜向间距L为0.85m，低频发射换能器(5)位于高频发射换能器阵的后侧，发射架C固定于大船舷侧水下5m处，引导绳一端固定在船侧，另一端用铅鱼固定，用浮球将其浮在水中，水听器(7)通过线缆布设，深度与发射架C相同，放在发射架C正前方。
3.根据权利要求1所述两列平面声波非线性 相互作用实验测试方法，其特征在于，所述步骤2中低频发射换能器(5)发射声波频率f1为8kHz，信号源峰峰值400mv，第一功率放大器(3)调制40dB档。
4.根据权利要求1所述两列平面声波非线性 相互作用实验测试方法，其特征在于，所述步骤3中高频发射换能器(6)发射声波频率f2为144kHz，信号源峰峰值500mv，第二功率放大器(4)调制50dB档。
5.根据权利要求1所述两列平面声波非线性 相互作用实验测试方法，其特征在于，所述步骤6中改变发射架C中心到水听器(7)的距离，所述距离分别为：5m，10m，15m，27m，38m，45m。
6.根据权利要求1所述两列平面声波非线性 相互作用实验测试方法，其特征在于，每个高频发射换能器(6)的指向性开角为10度；所述低频发射换能器(5)为无指向性发射换能器，形状为圆柱形。
7.根据权利要求1所述两列平面声波非线性 相互作用实验测试方法，其特征在于，所述低频发射换能器(5)正对高频发射换能器阵中心。
8.根据权利要求1所述两列平面声波非线性 相互作用实验测试方法，其特征在于，低频发射换能器(5)的发射面与水听器(7)的接收面平行。
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