CN108519431B - 一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的装置及方法，装置包括加压泵、罐体、吸声尖劈、支架、第一扫描机构、第二扫描机构，罐体为圆柱形，罐体的一端为球形封头，另一端为敞口，罐体的顶部有椭球形封头，吸声尖劈由不同直径的橡胶球串联而成，声学覆盖层安装在支架上，支架安装在罐体的敞口处，第一扫描机构安装在罐体内，第二扫描机构安装在罐体内；一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的装置及方法，还包括测量方法；本发明提供了声学覆盖层高频法向反射系数的测量装置及测量方法，避免了常规测量方法中存在的球面波与声学覆盖层表面之间存在夹角而带来的较大误差问题。

Description

一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的装置及方法，属于声学测量领域。

背景技术

目前，水下常用的测量声学覆盖层法向反射系数的装置为声管，相应的测量方法有脉冲法和双水听器传递函数法，该测量装置和测量方法要求声学覆盖层为小样品，同时，受声管中传播平面波的要求，测量频率有上限限制，例如Φ57声管的测量频率上限为15kHz。针对大样声学覆盖层法向反射系数的测量，可采用近场声全息的方法，通过将全息面上的声压信号进行空间傅里叶变换，计算声学覆盖层在各个方向声波入射时的反射系数，进而得到声波法向入射时的反射系数。近场声全息技术要求须在声源的近场进行测量，以便能够获取非均匀波(倏逝波)信息，加上低频声波的波长很长，使得近场声全息技术在低频段能够相对容易实现。相反，高频声波的波长短，这就要求测量水听器离声源的表面很近，而且声学覆盖层与声源之间的距离也要求很近，造成近场声全息技术在高频段较难实现。

随着国家重点研发计划---海洋声探测关键计量标准及溯源技术研究(2016YFF0200900)项目的批复，该项目需要完成计量校准多波束声呐的深度和分辨率工作，将设计制作一套多波束声呐的计量校准装置。在此装置中，需利用声学覆盖层吸收校准装置边界处的反射声波。多波束声呐的工作频率一般在100kHz-400kHz范围内，迫切需要了解此频率段声学覆盖层的反射系数。

但是，目前水下声学覆盖层的设计多为满足潜艇声隐身性能的需求，侧重的频率段为低频，为拓宽和提高声学覆盖层在低频段的吸声性能，声学覆盖层的内部开设各种形式的孔腔。关于声学覆盖层在高频段的吸声性能，大多认为橡胶材料属于粘弹性材料，由材料的粘性将入射声能转变为热能，消耗掉入射声波，达到消声效果，这也使得低频段声学覆盖层的结构是否能在高频段取得良好的吸声效果？而没有定论。

此外，在自由场中开展的声学覆盖层反射系数的测量方法，只要求声源距离声学覆盖层足够远，达到声源的远场，假定声波入射到覆盖层的表面相当于平面波(见GB/T14369-2011)，通过比较放置和不放置声学覆盖层时，距离覆盖层表面同一点的声压，计算声学覆盖层的反射系数。众所周知，由声源发射声波的波阵面是以声源表面作为起始面，随着距离逐渐扩大的一簇球形面，因此，当这样的声波入射至声学覆盖层的表面时，特别是界面为平面的声学覆盖层时，声波的波阵面与声学覆盖层界面存在一定的角度，此时的反射系数与入射波和其镜面反射角θ有关(见《理论声学》，张海澜编著，高等教育出版社，P317-P324)，这使得不同接收点处的声压波形是不同的，特别是当存在侧面波的情况下，此时若再按照球面波扩展规律去计算声反射系数是有较大误差的，而且频率越高，误差越大。

综上所述，目前还尚未形成声学覆盖层高频法向反射系数的测量装置及测量方法。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的装置及方法。

本发明的目的是这样实现的：包括罐体、加压泵、第一扫描机构、第二扫描机构、声源、水听器，所述罐体包括圆柱结构、设置在圆柱结构一端的球形封头、设置在圆柱结构上端外表面的椭球形封头，所述圆柱结构的另一端是敞口且端部设置有法兰，支架通过螺栓与法兰连接且在支架与螺栓之间设置有声学覆盖层，所述罐体内表面均匀设置有吸声尖劈，所述加压泵通过加压管与罐体上设置的进水加压阀连接，所述第一扫描机构包括设置在椭球形封头内的导轨一、设置在导轨一上并可在导轨一中运动的步进电机一、与步进电机一连接的步进电机二、安装在步进电机二输出端上的导轨二，导轨二的端部连接有连接杆一，声源设置在连接杆一的端部；

所述第二扫描机构包括安装在椭球形封头内的导轨三、安装在导轨三上并可在导轨三上运动的步进电机三、安装在步进电机三上的步进电机四、安装在步进电机四输出端上的导轨四、安装在导轨四上的步进电机五、与步进电机五输出端连接的导轨五，导轨五的端部设置有连接杆二，水听器设置在连接杆二的端部。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述吸声尖劈包括至少三个成列布置的橡胶球，且橡胶球的直径沿着远离罐体内表面的方向逐渐减小。

2.一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的方法，包括测量声学覆盖层高频法向反射系数的装置，步骤如下：

第一步：将声源固定在第一扫描机构上，水听器固定在第二扫描机构上；

第二步：将吸声尖劈安装在罐体的内部，将椭球形封头封闭，记录此时声学覆盖层底面的位置，假设为0，并记录罐体的内径R，测量球形声源的半径R’；

第三步：连接加压泵，缓慢加压直至声学覆盖层变成球冠形，停止加压、保持压力，记录声学覆盖层底面的位置L，得到声学覆盖层所形成球冠对应的半径r，r＝L/2+R²/2/L，且r＝nR’，n>0，n为整数；

第四步：通过第一扫描机构调整声源位于罐体的中轴线上，且与声学覆盖层底面的距离为r；

第五步：通过第二扫描机构调整水听器的位置，使之与声学覆盖层法向距离为d₁，由声源发射连续声波，记录此时水听器接收的声压为P₁，同步记录匹配声源的功率放大器的监视输出信号，由声源的发射声源级计算得到其辐射的声压P₁’；对水听器的声压P₁和声源辐射的声压P₁’进行傅里叶变换和互谱运算，得到P₁和P₁’的相位差θ；

第六步：假设声学覆盖层法向复反射系数为|c|e^jφ，且有：

式中：k为波数；

计算声学覆盖层的法向复反射系数；通过在不同空间位置处移动水听器，就能够得到声学覆盖层的平均法向反射系数；

第七步：如果测试过程中发现P₁特别小或为零值，则需要移动水听器，减少水听器与声学覆盖层之间的距离d₁，接着重复第五步、第六步的过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的测量装置，首先，在测试过程中的声学覆盖层是球冠形，与入射声波的波阵面相同，此时的声波均是以法向入射至声学覆盖层的，入射声波与声学覆盖层表面之间不存在夹角的问题，避免了常规方法中产生侧面波的缺陷；其次，由不同直径橡胶球制成的吸声尖劈，特点主要有：一、抗压能力强，在各种结构形状中，球形结构的抗压能力是最强的，这已得到普遍公认；二、吸声效果好，橡胶球与橡胶球之间形成指数形构造，此结构的声阻抗会随着两个橡胶球的接近而逐渐增大，属于阻抗渐变结构，当声波入射至该指数形结构后，能够很好地湮灭在橡胶球的连接处，而反射的声波很少；因橡胶球是球形结构，对各个方向的入射声波均能达到良好的吸声效果，对声波入射方向的选择性较低，能够满足测试过程中移动声源、壁面达到全吸声的需求，因此，在移动声源时，不会造成罐体内局部反射声的增强；再次，通过对声学覆盖层进行加压，使之成为球冠形，根据帕斯卡原理，液体传递的压强是处处相等的，使得声学覆盖层所成的球冠形是非常理想的，这样的声学覆盖层要比采用小块平面结构拼接而成的球冠形声学覆盖层的内表面更光滑，有利于声学测量；

本发明的测量方法首先，在数据处理时，采用的参考信号是声源发射的信号，将水听器的测量信号与声源的发射信号进行互相关，由于声源的辐射点是一个奇点，不会出现波节现象，该处理方法要比驻波管中的传递函数法的误差小：只有分子会存在零值的时候，而分母不会存在零值，因此，不存在双水听器传递函数法中传递函数值为无穷大的情况，减少了测试误差；其次，由于加压水与常压水的声速和密度几乎相等，即使声学覆盖层的一侧为加压水，另一侧为常压水，由这两种介质声学特性不同造成的测量误差可以忽略；再次，所测量的样品为大样，与声学覆盖层的实际使用情况吻合较好；最后，提出了高频(100kHz以上)条件下声学覆盖层大样法向反射系数的测量方法，是对国家标准《声学水声材料样品插入损失、回声降低和吸声系数的测量方法》(GB/T 14369-2011)的有益补充。

附图说明

图1为一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的装置的整体框图；

图2为吸声尖劈示意图；

图3为支架俯视图；

图4为支架侧视图；

图5为第一扫描机构示意图；

图6为第二扫描机构示意图；

图7为第二扫描机构运动示意图；

图8为一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的方法的流程图；

图9为加压泵工作时，水听器接收到的加压泵直接辐射噪声、水射流噪声和加压泵振动辐射噪声；

其中，1为加压泵、11为加压管、12为进水加压阀、2为罐体、21为球形封头、22为椭球形封头、3为吸声尖劈、31为橡胶球、32为橡胶球、33为橡胶球、34为橡胶球、35为橡胶球、36为橡胶球、4为第一扫描机构、41为导轨一、42为步进电机一、43为导轨二、44为步进电机二、45为连接杆一、5为第二扫描机构、51为导轨三、52为步进电机三、53为导轨四、54为步进电机四、55为导轨五、56为步进电机五、57为连接杆二、6为声源、7为水听器、8为声学覆盖层、81为底面、9为支架、91为螺纹孔(不通透)、92为螺纹孔(通透)、93为密封槽、94为密封圈、95为螺栓、96为螺栓。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图9，一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的装置，包括加压泵1、罐体2、吸声尖劈3、第一扫描机构4、第二扫描机构5、声源6、水听器7、声学覆盖层8、支架9；加压泵1为电动试压泵，型号为4DSY系列，额定功率1.1kW；加压管11为三层构造，罐体为圆柱形，罐体的一端为球形封头，另一端为敞口，罐体的顶部有椭球形封头，吸声尖劈由不同直径的橡胶球串联而成，声学覆盖层安装在支架上，支架安装在罐体的敞口处，第一扫描机构安装在罐体内，第二扫描机构安装在罐体内；第一扫描机构带动声源在罐体内进行二维运动；第二扫描机构带动水听器在罐体内进行三维运动；声源的形状为球形，且表面均匀振动；水听器为针式；

内衬层为尼龙，增强层为超强型工业纤维，外敷层为聚氨酯；进水加压阀12为不锈钢球阀，进水加压阀12的一端采用密封圈与罐体2上的进水口进行密封、紧固，进水加压阀12的另一端采用密封圈与加压管11的一端进行密封、紧固；加压管11的另一端与加压泵1的出水管相连；

罐体2的整体为圆柱形，采用16MnR钢材制成，罐体2的一端为敞口结构，周身焊接法兰，用于安装支架9，罐体2的另一端为球形封头21，罐体2的顶端有椭球形封头22；

吸声尖劈3由橡胶球31、橡胶球32、橡胶球33、橡胶球34、橡胶球35和橡胶球36相互粘接、贯穿而成，吸声尖劈3的整体形状为类圆锥形，橡胶球31、橡胶球32、橡胶球33、橡胶球34、橡胶球35、橡胶球36按照粒径由小至大排列，各个橡胶球的边缘处与圆锥体的母线相切，在橡胶球36的底部贯以螺柱，使之安装在罐体2的内部；

第一扫描机构4由导轨一41、步进电机一42、导轨二43、步进电机二44、连接杆一45组成；导轨一41安装在罐体2的椭球形封头22内，步进电机一42安装在导轨一41上，步进电机二44安装在步进电机一42上，导轨二43安装在步进电机二44上，连接杆一45安装在导轨43的一端；由步进电机4一2可带动导轨二43、步进电机二44和连接杆45在罐体2内实现一维水平运动(图5中AB示意)，由导轨二43和步进电机二44可带动连接杆45在罐体2内实现一维垂直运动(图5中CD示意)；

第二扫描机构5由导轨三51、步进电机三52、导轨四53、步进电机四54、导轨五55、步进电机五56和连接杆二57组成；导轨三51安装在罐体的椭球形封头22内，步进电机三52安装在导轨三51上，步进电机四54安装在步进电机三52上，导轨四53安装在步进电机四54上，步进电机五56安装在导轨四53上，导轨五55与步进电机五56连接，连接杆57与导轨55相连；由步进电机三52可带动导轨四53、步进电机四54、导轨五55、步进电机五56和连接杆二57在罐体2内实现一维水平运动(图6中AB示意)，由步进电机四54可带动导轨四53、导轨五55、步进电机五56和连接杆二57在罐体2内实现一维垂直运动(图6中CD示意，因导轨53垂直纸面，故在图6中导轨53示意为一个黑点)，由步进电机五56可带动导轨五55和连接杆二57在罐体内实现与前两个维度所成平面垂直的一维直线运动(图7中EF示意)；

声源6采用RESON公司生产的球形发射/接收换能器，型号TC4033，在100kHz时，发射声源级约为144dB(ref:1uPa/V)，用作发射换能器；

水听器采用RESON公司生产的针式接收换能器，型号TC4035，灵敏度约为-214dB(ref:1V/uPa)，用作接收水听器；

声学覆盖层8由橡胶制成，均匀密实结构，厚度约为1.5cm，用作测试的样品；底面81为声学覆盖层8中心位置处；

支架9由不锈钢材料制成，外侧有带螺纹的通孔91，内侧有带螺纹的非通透孔92，在通孔91的附近开有密封槽93，放置密封圈94(O型圈)，利用螺栓95将声学覆盖层8安装在支架9上，再利用螺栓96将带声学覆盖层8的支架9安装在罐体2的敞口端；

一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的方法，包含以下步骤：

第一步，将声源6固定在第一扫描机构4上，水听器7固定在第二扫描机构5上；

第二步，将吸声尖劈3安装在罐体2的内部，将椭球形封头22封闭，记录此时声学覆盖层8底面81的位置，假设为0(图1中虚线所示)，并记录罐体的内径R，测量球形声源的半径R’；

第三步，连接加压泵1，缓慢加压，直至声学覆盖层8变成球冠形，停止加压、保持压力，记录声学覆盖层8底面81的位置L，可求得声学覆盖层8所形成球冠对应的半径r，r＝L/2+R²/2/L，且r＝nR’，n>0，n为整数；

第四步，通过第一扫描机构4调整声源6位于罐体2的中轴线上，且与声学覆盖层8底面81的距离为r；

第五步，通过第二扫描机构5调整水听器7的位置，使之与声学覆盖层8法向距离为d₁，由声源6发射连续声波，记录此时水听器7接收的声压为P₁，同步记录匹配声源6的功率放大器的监视输出信号，由声源6的发射声源级计算得到其辐射的声压P₁’；对水听器7的声压P₁和声源6辐射的声压P₁’进行傅里叶变换和互谱运算，得到P₁和P₁’的相位差θ；

第六步，假设声学覆盖层8法向复反射系数为|c|e^jφ，

其中，k为波数。

按照公式(1-1)和复数相等的性质，根据复数相等的性质：实部与实部相等、虚部与虚部相等，计算声学覆盖层8的法向复反射系数；通过在不同空间位置处移动水听器7，就能够得到声学覆盖层8的平均法向反射系数；

第七步，如果测试过程中发现P₁特别小或为零值，则需要移动水听器7，减少水听器7与声学覆盖层8之间的距离d₁，接着重复第五步、第六步的过程。

需要特别说明的是：由于材料及加工工艺不同，声学覆盖层8有可能存在渗水的情况，需要加压泵1一直工作，这无疑会增加测试信号的背景噪声。经过前期的试验测试(见图9)，加压泵1向空气中辐射的噪声、加压管11水流脉动产生的噪声以及加压泵1振动产生的辐射噪声，其特征频率一般不超过20kHz，该频率远远低于实验中的测试频率(100kHz-400kHz)，因此，在测量声学覆盖层8的高频法向声反射系数时，可以让加压泵1一直工作。

本发明提供了一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的装置及方法，其特征在于，装置包括加压泵、罐体、吸声尖劈、支架、第一扫描机构、第二扫描机构，罐体为圆柱形，罐体的一端为球形封头，另一端为敞口，罐体的顶部有椭球形封头，吸声尖劈由不同直径的橡胶球串联而成，声学覆盖层安装在支架上，支架安装在罐体的敞口处，第一扫描机构安装在罐体内，第二扫描机构安装在罐体内；一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的装置及方法，还包括测量方法；本发明提供了声学覆盖层高频法向反射系数的测量装置及测量方法，避免了常规测量方法中存在的球面波与声学覆盖层表面之间存在夹角而带来的较大误差问题。

Claims (3)

1.一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的装置，其特征在于：包括罐体、加压泵、第一扫描机构、第二扫描机构、声源、水听器，所述罐体包括圆柱结构、设置在圆柱结构一端的球形封头、设置在圆柱结构上端外表面的椭球形封头，所述圆柱结构的另一端是敞口且端部设置有法兰，支架通过螺栓与法兰连接且在支架与螺栓之间设置有声学覆盖层，所述罐体内表面均匀设置有吸声尖劈，所述加压泵通过加压管与罐体上设置的进水加压阀连接，所述第一扫描机构包括设置在椭球形封头内的导轨一、安装在导轨一上并可在导轨一上运动的步进电机一、与步进电机一连接的步进电机二、安装在步进电机二输出端上的导轨二，导轨二的端部连接有连接杆一，声源设置在连接杆一的端部；

所述第二扫描机构包括安装在椭球形封头内的导轨三、安装在导轨三上并可在导轨三上运动的步进电机三、安装在步进电机三上的步进电机四、安装在步进电机四输出端上的导轨四、安装在导轨四上的步进电机五、与步进电机五输出端连接的导轨五，导轨五的端部设置有连接杆二，水听器设置在连接杆二的端部。

2.根据权利要求1所述的一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的装置，其特征在于：所述吸声尖劈包括至少三个成列布置的橡胶球，且橡胶球的直径沿着远离罐体内表面的方向逐渐减小。

3.一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的方法，其特征在于：包括权利要求1和2任意一种测量声学覆盖层高频法向反射系数的装置，步骤如下：

第一步：将声源固定在第一扫描机构上，水听器固定在第二扫描机构上；

第二步：将吸声尖劈安装在罐体的内部，将椭球形封头封闭，记录此时声学覆盖层底面的位置，假设为0，并记录罐体的内径R，测量球形声源的半径R’；

第三步：连接加压泵，缓慢加压直至声学覆盖层变成球冠形，停止加压、保持压力，记录声学覆盖层底面的位置L，得到声学覆盖层所形成球冠对应的半径r，r＝L/2+R²/2/L，且r＝nR’，n>0，n为整数；

第四步：通过第一扫描机构调整声源位于罐体的中轴线上，且与声学覆盖层底面的距离为r；

第五步：通过第二扫描机构调整水听器的位置，使之与声学覆盖层法向距离为d₁，由声源发射连续声波，记录此时水听器接收的声压为P₁，同步记录匹配声源的功率放大器的监视输出信号，由声源的发射声源级计算得到其辐射的声压P₁’；对水听器的声压P₁和声源辐射的声压P₁’进行傅里叶变换和互谱运算，得到P₁和P₁’的相位差θ；

第六步：假设声学覆盖层法向复反射系数为|c|e^jφ，且有：

式中：k为波数；

计算声学覆盖层的法向复反射系数；通过在不同空间位置处移动水听器，就能够得到声学覆盖层的平均法向反射系数；

第七步：如果测试过程中发现P₁特别小或为零值，则需要移动水听器，减少水听器与声学覆盖层之间的距离d₁，接着重复第五步、第六步的过程。

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