CN109238440A - 基于最优空时聚焦技术的声学覆盖层插入损失测量方法 - Google Patents

Abstract

基于最优空时聚焦技术的声学覆盖层插入损失测量方法，包括以下步骤：1)生成最优空时聚焦发射信号；2)无试样情况下直达信号的采集；3)有试样情况下透射信号的采集；4)插入损失测量值的计算。本发明利用多通道发射阵及接收阵目标函数最优化方法，通过目标函数最优解独立控制发射信号，从而实现最优空时聚焦，获取空时域高分辨聚焦信号，实现直达波与多径反射信号的分离及混响抑制，适用于低频条件下声学覆盖层插入损失的测量；同时，压力罐测量实验验证了本发明在声学覆盖层插入损失测量中的有效性。

Description

基于最优空时聚焦技术的声学覆盖层插入损失测量方法

技术领域

本发明涉及一种水下声学覆盖层大样插入损失的低频测量方法。水下声学覆盖层是水声工程中使用广泛且至关重要的水下部件，为评估声学覆盖层试样的插入损失性能，实验室条件下大件样品的插入损失测量是主要的手段之一。

背景技术

声学覆盖层是指敷设在水下部件上的专用功能性声学材料与结构，是水下部件实现声隐身的一个重要手段。随着复合材料的快速发展以及声隐身技术研究的深入，声学覆盖层产品已较为齐全，性能亦逐步提高。声学覆盖层一方面可以将主动探测声波的能量大幅度的吸收，使主动声纳声波的反射减少，降低水下结构的声目标强度，另一方面可以抑制结构自身辐射噪声。为对不同性能的覆盖层性能进行评估，通常包括仿真计算和实际测量两种手段，由于材料结构和组成较为复杂，计算的精度受到限制，对其在水声环境中进行声学性能测量是必不可少的手段。

插入损失是衡量覆盖层声学性能的重要指标之一。现有的声学覆盖层插入损失测量方法包括空间傅里叶变换方法，宽带脉冲压缩法，时间反转聚焦方法、多通道空时逆滤波法等。有限空间环境下，混响及多径效应严重，无法实现平面波的精确分解，从而限制了空间傅里叶变换方法的应用；宽带脉冲压缩法可实现时域脉冲信号波形聚焦，但低频条件下，其单通道发射的特点导致指向性变差，衍射及混响干扰较严重；时间反转聚焦方法可实现空时聚焦，但由于其没有抵消信道幅度的影响，聚焦的时域信号脉宽受限，无法实现最优聚焦效果，不利于低频情况下插入损失的测量；多通道空时逆滤波技术没有用到接收阵及发射阵各阵元信道传递函数之间的相干信息，对于具有多个接收阵元的测量系统，没有实现最佳空时聚焦。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，进一步提高声学覆盖层插入损失测量技术在低频段测试中的测量精度，本发明提供一种适用于低频段，可有效减少测量误差、提高测量精度的声学覆盖层大样插入损失测量方法，该方法利用多通道发射阵及接收阵目标函数最优化方法，通过目标函数最优解独立控制发射信号，从而实现最优空时聚焦，获取空时域高分辨聚焦信号，实现直达波与多径反射信号的分离及混响抑制。压力罐实验验证了本发明在声学覆盖层插入损失测量中的有效性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下。

一种基于最优空时聚焦技术的声学覆盖层插入损失测量方法，包括如下步骤：

1)生成最优空时聚焦发射信号：无试样情况下，各发射换能器依次发射初始导引信号，各水听器依次接收信号，从而获取各个发射-接收信道的响应函数，通过目标函数最优化方法，获得各发射通道的二次发射信号；

2)无试样情况下直达信号的采集：各换能器同步发射1)中计算得到的发射信号，则发射信号将在预设聚焦位置处实现最佳聚焦，水听器记录无测试样品时的直达信号p_i；

3)有试样情况下透射信号的采集：将敷设声学覆盖层的试样放入测试环境，重复2)中步骤，记录有测试样品时的透射信号p_t；

4)插入损失测量值的计算：利用插入损失的计算公式可得

其中I_L表示插入损失值。

本发明的技术构思为：通过初始导引信号发射及水听器逐一接收，得到包含电路信道和水声信道信息的接收信号，进而通过目标函数最优化方法，获得换能器阵每一阵元的二次发射信号，然后各换能器同步发射，获得预设水听器处的最优聚焦信号，从而最优化地实现测量信号的空间聚焦及时域脉冲压缩，达到抑制低频混响的目的。

与现有的插入损失测量方法相比，本发明的优点是：利用各发射阵元及接收阵元之间的信道相干信息，通过目标函数最优化方法，获取各发射阵元最优聚焦发射信号，经同步发射，实现预设水听器处的最优空时聚焦，达到低频高分辨及混响抑制的目的。

附图说明

图1是本发明方法的测量系统整体示意图。

图2a和图2b分别是仿真计算得到的最优空时聚焦方法在和(0m,0rad)位置处聚焦的空间能量分布图。

图3a是初始发射信号时域波形图，图3b和图3c分别是和(0m,0rad)位置处的时域脉冲聚焦波形图。

图4是压力罐环境下5mm厚钢板试样插入损失理论及测量试验结果对比图。

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4，一种基于最优空时聚焦技术的声学覆盖层插入损失测量方法，用于有限空间下声学覆盖层大样插入损失的测量。整套测量方法的技术方案如下：

1)生成最优空时聚焦发射信号；

无试样情况下，各换能器依次发射初始导引信号，各水听器阵元依次接收信号，设发射信号频域可表示为e_n(ω)，n＝1,2,…,N，其中ω表示信号角频率，n为发射换能器编号，N为换能器个数；接收信号表示为y(ω,r_n；r_m)，m＝1,2,…,M，其中m为水听器编号，M为水听器个数，r_n、r_m分别表示第n个发射换能器和第m个水听器的位置；

根据公式

估计每一发射通道与接收水听器振元之间的信道响应函数G(ω,r_n；r_m)；

得到信道响应后，为求解最优化的二次发射信号，建立如下目标函数

J(s₁(ω)，s₂(ω)，…，s_N(ω))＝∫_W|Φ(ω,r)-exp(-iωT)δ(r-r_c)|²dr (3)

其中，W为水听器的位置集合，s_n(ω)，n＝1,2,…,N，为第n个发射通道产生的二次发射信号，对应的时域信号为s_n(t)，其中t表示时间序列，n＝1,2,…,N；设s_n(t)在t＝0时刻发射，经信道传递后在预设聚焦位置r_c处和T时刻聚焦，要实现最优聚焦，预设位置处的聚焦信号在频域上的理论值应表示为exp(-iωT)δ(r-r_c)，即空时均为狄拉克函数；目标函数J(s₁(ω),s₂(ω),…,s_N(ω))中，Φ(ω,r_m)，m＝1,2,…,M，为第m个水听器处的接收信号，可表示为

其中，x_n(ω,r_m)，m＝1,2,…,M为由第n个发射通道发射，并在第m个水听器位置处接收的信号，表示为

x_n(ω,r_m)＝s_n(ω)·G(ω,r_n；r_m) (5)

通过最小化目标函数，最优二次发射信号可通过下式得到

Γ(ω)s(ω)＝exp(-iωT)g^*(ω) (6)

其中g^*(ω)表示函数g(ω)的共轭，Γ矩阵的组成元素为

Γ^nm(ω)＝∫_WG(ω，r_n；r)G^*(ω，r_m；r)dr (7)

向量g(ω)的组成元素为

g_n(ω)＝G(ω,r_n；r_c),n＝1,2,…,N (8)

即Γ矩阵为各信道响应函数的互相关表示，g(ω)为各发射阵元到预设聚焦位置之间响应函数组成的向量。则最优二次发射信号可表示为

其中表示矩阵Γ的伪逆矩阵，对该信号做逆傅里叶变换得到时域最优空时聚焦的发射信号s(t)。

2)无试样时直达信号的采集；

如图1所示，通过计算机辅助处理系统控制多通道独立控制信号发生器，经多通道功率放大器，利用发射换能器阵同步发射由步骤1)生成的最优二次发射信号，同时，计算机辅助处理系统控制聚焦位置处的水听器记录没有测试样品时的直达信号p_i。

3)有试样时透射信号的采集；

将敷设声学覆盖层的试样放入测试环境，重复2)中步骤，此时记录有测试样品时的透射信号p_t。

4)插入损失测量值的计算；

通过以上三个步骤可获得计算插入损失所需的测量数据，利用2)和3)采集的入射信号p_i及透射信号p_t，由公式(1)计算可得插入损失测量值。

实例说明：为验证本发明中最优聚焦技术的空时聚焦效果，开展了仿真分析。设刚性圆柱形水罐直径为4m，轴向长度为半无限长，水体声速为c_w＝1480m/s，水体密度为ρ_w＝1g/cm³。3个换能器分布在直径为1.5m的圆上，圆阵中心位于圆柱的中轴线上，接收阵为五元十字阵，相邻阵元间距为1m，阵中心同样位于圆柱中轴线上，且与发射阵轴向距离为4.5m。初始发射信号频率为1kHz～1.5kHz。图2a和图2b显示的是利用最优空时聚焦技术进行二次发射时，预设聚焦位置分别在和(0m,0rad)时的空间能量分布图；图3a为初始发射信号波形图，图3b和图3c分别是和(0m,0rad)位置的时域脉冲聚焦波形图。由图可知，最优空时聚焦技术实现了信号的空间能量聚焦和时域脉冲聚焦。

为验证最优空时聚焦技术在声学覆盖层插入损失测量中的有效性，开展了压力水罐条件下的试验验证。实验中三元发射阵与测试样品相距4.5m，3个圆形发射换能器阵元均匀分布在半径为1.5m的圆上。测试试样为钢板，其几何尺寸为1.1m×1.0m×5mm，密度为7.84×10³kg/m³，声速5470m/s。该试验开展了0.5kHz～5kHz频率下插入损失测量试验的数据采集和处理工作。图4显示的是钢板试样插入损失理论及试验结果对比图，由图可知，在多径现象非常严重的圆柱腔体波导环境下，本发明的测量结果在低频段基本与理论计算值相一致。在频率大于2kHz时，测量误差增大，产生此种现象的可能原因为换能器阵频率覆盖范围较窄，在高频段性能下降较严重。

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 (2)

1.基于最优空时聚焦技术的声学覆盖层插入损失测量方法，包括如下步骤：

1)生成最优空时聚焦发射信号：无试样情况下，各发射换能器依次发射初始导引信号，各水听器依次接收信号，从而获取各个发射-接收信道的响应函数，通过目标函数最优化方法，获得各发射通道的二次发射信号；

2)无试样情况下直达信号的采集：各换能器同步发射1)中计算得到的发射信号，则发射信号将在预设聚焦位置处实现最佳聚焦，水听器记录无测试样品时的直达信号p_i；

3)有试样情况下透射信号的采集：将敷设声学覆盖层的试样放入测试环境，重复2)中步骤，记录有测试样品时的透射信号p_t；

4)插入损失测量值的计算：利用插入损失的计算公式可得

其中I_L表示插入损失值。

2.如权利要求1所述的基于最优空时聚焦技术的声学覆盖层插入损失测量方法，其特征在于：所述步骤1)中，生成最优空时聚焦发射信号的过程如下：

无试样情况下，各换能器依次发射初始导引信号，各水听器阵元依次接收信号，设发射信号频域可表示为e_n(ω)，n＝1,2,…,N，其中ω表示信号角频率，n为发射换能器编号，N为换能器个数；接收信号表示为y(ω,r_n；r_m)，m＝1,2,…,M，其中m为水听器编号，M为水听器个数，r_n、r_m分别表示第n个发射换能器和第m个水听器的位置；

根据公式

估计每一发射通道与接收水听器振元之间的信道响应函数G(ω,r_n；r_m)；

得到信道响应后，为求解最优化的二次发射信号，建立如下目标函数

J(s₁(ω),s₂(ω),…,s_N(ω))＝∫_W|Φ(ω,r)-exp(-iωT)δ(r-r_c)|²dr (3)

其中，W为水听器的位置集合，s_n(ω)，n＝1,2,…,N，为第n个发射通道产生的二次发射信号，对应的时域信号为s_n(t)，其中t表示时间序列，n＝1,2,…,N；设s_n(t)在t＝0时刻发射，经信道传递后在预设聚焦位置r_c处和T时刻聚焦，要实现最优聚焦，预设位置处的聚焦信号在频域上的理论值应表示为exp(-iωT)δ(r-r_c)，即空时均为狄拉克函数；目标函数J(s₁(ω),s₂(ω),…,s_N(ω))中，Φ(ω,r_m)，m＝1,2,…,M，为第m个水听器处的接收信号，可表示为

其中，x_n(ω,r_m)，m＝1,2,…,M为由第n个发射通道发射，并在第m个水听器位置处接收的信号，表示为

x_n(ω,r_m)＝s_n(ω)·G(ω,r_n；r_m) (5)

通过最小化目标函数，最优二次发射信号可通过下式得到

Γ(ω)s(ω)＝exp(-iωT)g^*(ω) (6)

其中g^*(ω)表示函数g(ω)的共轭，Γ矩阵的组成元素为

Γ^nm(ω)＝∫_WG(ω,r_n；r)G^*(ω,r_m；r)dr (7)

向量g(ω)的组成元素为

g_n(ω)＝G(ω,r_n；r_c),n＝1,2,…,N (8)

即Γ矩阵为各信道响应函数的互相关表示，g(ω)为各发射阵元到预设聚焦位置之间信道响应函数组成的向量；则最优二次发射信号可表示为

其中表示矩阵Γ的伪逆矩阵，对该信号做逆傅里叶变换得到时域最优空时聚焦的发射信号s(t)。