CN109243423B - 一种水下人工弥散声场的产生方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水声领域，具体涉及一种水下人工弥散声场的产生方法和装置，包括以下步骤：选择合适的混响水池；计算水下人工弥散声场适用频率范围；利用中断声源法测量混响水池的混响时间T60；布放仪器设备；确定弥散声场区域范围；验证人工弥散声场的声压均匀性。本发明不需要对混响水池进行改造，仅需要使用若干个标准发射换能器即可完成对弥散声场的构建；操作方法简单，流程少；弥散声场中声压分布均匀，30个声源时按指定规则布放时标准偏差应小于1.5dB，满足实验室级别的测量和校准要求；该发明方法适用于任意形状和大小的混响水池，只要满足在截止频率以上的频率范围内即可采用此方法进行。
Description
技术领域
本发明属于水声领域，具体涉及一种水下人工弥散声场的产生方法和装置。
背景技术
在混响水池中声源辐射声波经边界的反射作用会形成混响声场。理想的混响声场被称为弥散声场，其特点是声场中各处声能密度均匀，从各方向到达某点的声强的概率相同，来自各方向的声压的相位是无规则的。弥散声场很难实现的主要原因是声场中驻波的影响使得声场分布不均匀，只有在反射良好的空气声学中混响室的高频段采用宽带测量才近似看作弥散声场。在混响水池中构建人工弥散声场的方法尚未有报道，而本发明通过在混响水池中人为引入多个相同性能的声源并按一定规则布放来形成稳定的弥散声场。
在单声源单频激励下，由于边界的干涉，不可能使混响水池中声场中声压空间分布完全一致。实际上，在混响水池中进行声场测量，只有在一定空间区域内进行平均后才有意义，单次的测量值不确定度较大。在国内，哈尔滨工程大学李琪利用了空间平均技术测量混响水池中的声源特性，有效地克服了边界对声场的干涉影响，该方法成为一种在混响水池中测量声源辐射声功率的最为有效方法。尚大晶在不同混响水池中测量了标准声源及水下复杂声源的辐射声功率，验证了空间平均技术可解决混响水池中截止频率以上声源的窄带测量问题。由此可见，空间平均技术的应用有效地提高了声场的弥散性。根据声场互易定理，当采用多个声源辐射声信号时，在声场的混响控制区内将提供声能密度均匀的弥散声场。目前，在混响水池中构建弥散声场的方法尚未有报道，而本发明将通过在混响水池中布放多个标准发射换能器来实现水下弥散声场。
综上所述，现有技术在混响水池中构建弥散声场的方法尚未有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在混响水池中构建人工水下弥散声场的方法和装置。主要通过以下几个步骤来实现：
一种水下人工弥散声场的产生方法，包括以下步骤：
(1)选择合适的混响水池；
(2)计算水下人工弥散声场适用频率范围；
(3)利用中断声源法测量混响水池的混响时间T60；
(4)布放仪器设备；
(5)确定弥散声场区域范围；
(6)验证人工弥散声场的声压均匀性。
所述选择合适的混响水池体积应不小于1m3。
所述计算水下人工弥散声场适用频率范围，包括：
水下人工弥散声场并不是对任意频率都是适用的，取决于混响水池的体积和池壁阻抗特性，只有在一定频率范围内声场才是弥散的，本发明方法能够实现的水下人工弥散声场的最低频率为混响水池的截止频率fs，fs的确定如下：
只考虑斜向波，体积为V的混响水池频率低于f的简正波平均总数为：
其中，c0为声波在水中的传播速度；
单位带宽内的简正波数为：
简正波共振峰的平均半功率带宽为：
其中，为水箱的平均阻尼常数，由此可见，简正波共振峰的平均半功率带宽/>取决于水箱的吸收系数；
其中，T60为混响时间；
混响水池满足混响场条件的截止频率决定于单位带宽内简正波的数目及简正波共振峰的半功率带宽，根据Schroeder截止频率假定，满足混响场条件时，平均共振峰的半功率带宽内包含有三个简正波，因此，混响场条件表示为：
由此求得：
其中，c0为声波在水中的传播速度，T60为混响时间，混响水池的体积为V。
所述利用中断声源法测量混响水池的混响时间T60，包括：
混响时间测量中会出现重复偏差和空间偏差，为减少重复偏差，每个位置作10次测量并进行平均；同时为减少空间偏差，对声源及水听器分别进行多点空间平均，所有测点距离水池壁面及底面不小于1.5米，声源及水听器取10点进行空间平均。
所述布放仪器设备，包括：
(1)每个标准发射换能器表面与池壁和水面的距离不小于0.1米，且保持静止状态；
(2)每个标准发射换能器等效声中心间距应小于下限频率波长的1/4，当标准发射换能器直径大于下限频率波长的1/8时，每个标准发射换能器等效声中心间距按2倍直径布放；
(3)标准发射换能器所分布的区域范围最小线度应大于下限频率波长。
所述确定弥散声场区域范围，包括：
在完成标准发射换能器阵列布放和仪器连接之后，由信号发生器产生一定幅度的连续稳态信号输入功率放大器，功率放大器将放大后的电信号输送给标准发射换能器辐射单频连续正弦信号或连续白噪声信号，在远离标准发射换能器阵列一定距离处将形成弥散声场，弥散声场区域范围是：
(1)弥散声场区域距离标准发射器的最短距离为频率对应波长的2倍；
(2)弥散声场区域的边界距离池壁和水面的距离为频率波长的1/2；
(3)在满足以上两条所形成的区域范围内即形成了弥散声场，在弥散声场中满足任意位置处的平均声压相等。
所述验证人工弥散声场的声压均匀性，包括：
在弥散声场区域内选择6个水听器布放测点，每个测点之间的距离大于所测频段下限频率波长的1/2，标准发射换能器阵列输出单频连续正弦声信号，在每个测点位置处测量30s声压信号，每测量0.5s做一次频谱运算，得到测量频谱数据组60组，确定每个频率点声压均匀性的标准偏差，在水下人工弥散声场工作频带内标准偏差应小于1.5dB。
一种水下人工弥散声场的产生装置，由信号发生器、功率放大器、标准发射换能器组成，功率放大器一端连接信号发生器，另一端连接标准发射换能器，标准发射换能器放置于混响水池中。
本发明的有益效果在于：
本发明不需要对混响水池进行改造，仅需要使用若干个标准发射换能器即可完成对弥散声场的构建；操作方法简单，流程少；弥散声场中声压分布均匀，30个声源时按指定规则布放时标准偏差应小于1.5dB，满足实验室级别的测量和校准要求；该发明方法适用于任意形状和大小的混响水池，只要满足在截止频率以上的频率范围内即可采用此方法进行。
附图说明
图1是人工弥散声场装置连接示意图；
图2是人工弥散声场标准发射器布置正视图；
图3是人工弥散声场标准发射器布置俯视图；
图4是人工弥散声场声压均匀性验证示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
在混响水池中利用单声源激励构建低频段的弥散声场并不容易，这是由于声场中存在着简正波的干涉影响，在混响水池低频段内简正波数目较少，使得声场内不同位置处声压分布不均匀，而无法形成弥散声场。在混响水池中按照一定规则布放相同性能的标准发射换能器可以实现混响控制区内不同位置处声压的均匀分布，从而构造成水下人工弥散声场。其方法首先是在混响水池中选定一定的布放区域，按照一定规则布放多个标准发射换能器，组成标准发射换能器阵列；然后，标准发射换能器阵列产生连续声信号(连续正弦信号或连续白噪声信号)，在混响水池中的一定区域内形成声压空间分布均匀的人工弥散声场；最后给出一种弥散性测量验证方法，即采用标准水听器测量弥散声场中不同位置处的声压，计算人工弥散声场中声压分布均匀性的标准差，即可对混响水池中人工弥散场的效果进行评价。本发明涉及的水下人工弥散声场产生方法可以实现窄带谱测量，提高混响水池低频声场弥散性、拓展混响水池低频应用具有重要的实际意义，可以推广到水声换能器基阵校准、水声无源材料测量等领域，并且该方法具有构建装置简单的特点便于实施。
本发明涉及一种在混响水池中利用多个标准发射换能器构建人工弥散声场的方法和装置。
在混响水池中声源辐射声波经边界的反射作用会形成混响声场。理想的混响声场被称为弥散声场，其特点是声场中各处声能密度均匀，从各方向到达某点的声强的概率相同，来自各方向的声压的相位是无规则的。弥散声场很难实现的主要原因是声场中驻波的影响使得声场分布不均匀，只有在反射良好的空气声学中混响室的高频段采用宽带测量才近似看作弥散声场。在混响水池中构建人工弥散声场的方法尚未有报道，而本发明通过在混响水池中人为引入多个相同性能的声源并按一定规则布放来形成稳定的弥散声场。
在单声源单频激励下，由于边界的干涉，不可能使混响水池中声场中声压空间分布完全一致。实际上，在混响水池中进行声场测量，只有在一定空间区域内进行平均后才有意义，单次的测量值不确定度较大。在国内，哈尔滨工程大学李琪利用了空间平均技术测量混响水池中的声源特性，有效地克服了边界对声场的干涉影响，该方法成为一种在混响水池中测量声源辐射声功率的最为有效方法。尚大晶在不同混响水池中测量了标准声源及水下复杂声源的辐射声功率，验证了空间平均技术可解决混响水池中截止频率以上声源的窄带测量问题。由此可见，空间平均技术的应用有效地提高了声场的弥散性。根据声场互易定理，当采用多个声源辐射声信号时，在声场的混响控制区内将提供声能密度均匀的弥散声场。目前，在混响水池中构建弥散声场的方法尚未有报道，而本发明将通过在混响水池中布放多个标准发射换能器来实现水下弥散声场。
本发明的目的在于提供一种在混响水池中构建人工水下弥散声场的方法和装置。主要通过以下几个步骤来实现：
(1)水下人工弥散声场适用频率范围。水下人工弥散声场并不是对任意频率都是适用的，取决于混响水池的体积和池壁阻抗特性，只有在一定频率范围内声场才是弥散的。本发明方法能够实现的水下人工弥散声场的最低频率为混响水池的截止频率fs，适用的最低频率为混响水池的截止频率fs。fs的确定如下：
若只考虑斜向波，体积为V的混响水池频率低于f的简正波平均总数为：
式中，c0为声波在水中的传播速度。
单位带宽内的简正波数为：
简正波共振峰的平均半功率带宽为：
这里，为水箱的平均阻尼常数。由此可见，简正波共振峰的平均半功率带宽/>取决于水箱的吸收系数，而：
式中，T60为混响时间。
混响水池满足混响场条件的截止频率决定于单位带宽内简正波的数目及简正波共振峰的半功率带宽。根据Schroeder截止频率假定，满足混响场条件时，平均共振峰的半功率带宽内包含有三个简正波，因此，混响场条件可表示为：
由此可求得：
通过式(6)可确定混响水池的截止频率，并确定该方法的测量频率范围。
为确定混响水池的截止频率fs，需测量混响水池的混响时间T60。混响时间的测量采用中断声源法，混响时间测量中会出现重复偏差和空间偏差。为减少重复偏差，建议每个位置作10次测量并进行平均；同时为减少空间偏差，建议对声源及水听器分别进行多点空间平均，所有测点距离水池壁面及底面至少1.5米，声源及水听器至少取10点进行空间平均。
构建弥散声场所需的混响水池体积应不小于1m3。在实施过程中，首先要确定构建的人工弥散声场的频率范围，再选择相应尺寸的混响水池进行发射换能器阵列和水听器的布放。
(2)仪器设备及布放方法。在混响水池中实现人工弥散声场的主要仪器设备有信号发生器、功率放大器和标准发射换能器。标准发射换能器选用多个相同型号的无指向性标准发射换能器。标准发射换能器的工作频率范围应覆盖所需构建人工弥散声场的频率范围，且具有较高的声源级以满足信噪比要求。在使用过程中标准发射换能器按照一定规则布置组成标准发射换能器阵列的形式，其布放方法为：
a.每个标准发射换能器表面与池壁和水面的距离不小于0.1米，且保持静止状态；
b.每个标准发射换能器等效声中心间距应小于下限频率波长的1/4。当标准发射换能器直径大于下限频率波长的1/8时，每个标准发射换能器等效声中心间距按2倍直径布放；
c.标准发射换能器所分布的区域范围最小线度应大于下限频率波长。
(3)弥散声场区域范围。在完成标准发射换能器阵列布放和仪器连接之后，由信号发生器产生一定幅度的连续稳态信号输入功率放大器，功率放大器将放大后的电信号输送给标准发射换能器辐射单频连续正弦信号或连续白噪声信号，在远离标准发射换能器阵列一定距离处将形成弥散声场。弥散声场区域范围是：
a.弥散声场区域距离标准发射器的最短距离为频率对应波长的2倍；
b.弥散声场区域的边界距离池壁和水面的距离为频率波长的1/2；
c.在满足以上两条所形成的区域范围内即形成了弥散声场。在弥散声场中满足任意位置处的平均声压相等。
(4)人工弥散声场声压均匀性测量验证方法。在弥散声场区域内选择6个水听器布放测点，每个测点之间的距离大于所测频段下限频率波长的1/2。标准发射换能器阵列输出单频连续正弦声信号。在每个测点位置处测量30s声压信号，每测量0.5s做一次频谱运算，得到测量频谱数据组60组，确定每个频率点声压均匀性的标准偏差，在水下人工弥散声场工作频带内标准偏差应小于1.5dB。
本发明的优点在于：在混响水池中由于边界及干涉影响很难形成弥散声场，采用人工布放标准发射换能器阵列的方法可以构建声压分布均匀的弥散声场，用于声学测量和校准。其优点为：不需要对混响水池进行改造，仅需要使用若干个标准发射换能器即可完成对弥散声场的构建；操作方法简单，流程少；弥散声场中声压分布均匀，30个声源时按指定规则布放时标准偏差应小于1.5dB，满足实验室级别的测量和校准要求；该发明方法适用于任意形状和大小的混响水池，只要满足在截止频率以上的频率范围内即可采用此方法进行。
(1)混响水池的选择。构建弥散声场所需的混响水池体积应不小于1m3。已知混响水池的体积V和混响时间T60以及声波在水中的传播速度c0，计算混响水池的截止频率fs：
根据fs确定在混响水池中构建水下人工弥散声场的适用频率范围。
(2)仪器设备及布放方法。实现人工弥散声场的主要仪器设备为信号发生器、功率放大器和标准发射换能器。标准发射换能器选用多个相同型号的无指向性标准发射换能器。标准发射换能器的工作频率范围应覆盖所需构建人工弥散声场的频率范围，且具有较高的声源级以满足信噪比要求。在使用过程中标准发射换能器按照一定规则布置组成标准发射换能器阵列的形式，其布放方法为：
标准发射换能器一般布放在混响水池尺寸较长方向上的一端，每个标准发射换能器表面与池壁和水面的距离都应大于下限频率波长的1/4。
每个标准发射换能器等效声中心间距应小于下限频率波长的1/4。当标准发射换能器直径大于下限频率波长的1/8时，每个标准发射换能器等效声中心间距按2倍直径布放。
标准发射换能器所分布的区域范围最小线度应大于下限频率波长。
(3)弥散声场区域范围。在完成标准发射换能器阵列布放和仪器连接之后，由信号发生器产生一定幅度的连续电信号输入功率放大器，功率放大器将放大后的电信号输送给标准发射换能器辐射单频连续正弦信号或连续白噪声信号，在远离标准发射换能器阵列一定距离处将形成弥散声场。弥散声场区域范围是：
弥散声场区域的边界距离池壁和水面的距离为频率波长的1/2；
弥散声场距离标准发射器的最短距离为频率对应波长的2倍。
在满足以上两条所形成的区域范围内即形成了弥散声场。在弥散声场中满足任意位置处的平均声压相等。
(4)人工弥散声场声压均匀性测量验证方法。在弥散声场区域内选择6个水听器布放测点，每个测点之间的距离大于所测频段下限频率波长的1/2。标准发射换能器阵列输出单频连续正弦声信号。在每个测点位置处测量30s声压信号，每测量0.5s做一次频谱运算，得到测量频谱数据组60组，确定每个频率点声压均匀性的标准偏差，在水下人工弥散声场工作频带内标准偏差应小于1.5dB。
下面以哈尔滨工程大学水声技术实验室的混响水池为例，对本发明的详细实施步骤进行说明：
首先确定将要构建的人工弥散声场的频率范围为500-20kHz，因此需要选择的混响水池截止频率应不超过500Hz。混响水池截止频率为500Hz，满足构建人工弥散声场所需的混响水池要求。混响水池池壁为混凝土结构，内壁敷设瓷砖，该水池长15m，宽9m，水深6m。使用标准发射器为EDO 6829-17k型无指向性发射换能器。布置标准发射器表面距离池壁和水面的距离应大于下限频率波长的1/4为0.75m，此处取1.5m；每个标准发射器等效声中心间距大于下限频率波长的1/4，取值为0.75m。共计使用了240个标准发射器。标准发射器分布区域范围为3.75m×5.25m×3m的立方体区域，其最小线度为3m不小于下限频率波长。如图1和图2所示。
弥散声场声压均匀性检验使用的仪器连接示意图如图3所示，使用的标准水听器为B&K8103水听器。在弥散声场区域边界距离池壁或水面距离应不小于最低频率波长的1/2，这里选择1.5m，每个测点之间的距离大于1.5m。在每个测点位置处水听器测量30s声压信号，计算平均声压级。在整个测量频带内按1/3倍频程选取频率点，确定每个频率点声压均匀性的标准偏差应小于1.5dB。
Claims (1)
1.一种在混响水池中构建人工水下弥散声场的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选择体积不小于1m3的混响水池，测量混响水池的混响时间T60；
测量混响水池的混响时间采用中断声源法；混响时间的测量中会出现重复偏差和空间偏差，为减少重复偏差，每个位置作10次测量并进行平均；同时为减少空间偏差，对声源及水听器分别进行多点空间平均，所有测点距离混响水池的壁面及底面至少1.5米，声源及水听器至少取10点进行空间平均；
步骤2：计算混响水池的截止频率fs；
其中，c0为声波在水中的传播速度；V为混响水池的体积；
步骤3：在混响水池中布放标准发射换能器阵列；
所述标准发射换能器阵列选用多个相同型号的无指向性标准发射换能器；标准发射换能器的工作频率范围覆盖所需构建人工弥散声场的频率范围；每个标准发射换能器表面与混响水池的池壁和水面的距离不小于0.1米，且保持静止状态；每个标准发射换能器的等效声中心间距小于下限频率波长的1/4；当标准发射换能器的直径大于下限频率波长的1/8时，每个标准发射换能器的等效声中心间距按2倍直径布放；标准发射换能器所分布的区域范围最小线度大于下限频率波长；
步骤4：在混响水池中布放信号发生器和功率放大器；由信号发生器产生一定幅度的连续稳态信号输入功率放大器，功率放大器将放大后的电信号输送给标准发射换能器阵列；标准发射换能器阵列辐射单频连续正弦信号或连续白噪声信号，在远离标准发射换能器阵列一定距离处形成弥散声场；
弥散声场区域距离标准发射器阵列的最短距离为频率对应波长的2倍；弥散声场区域的边界距离混响水池的池壁和水面的距离为频率波长的1/2；在弥散声场中满足任意位置处的平均声压相等；
步骤5：人工水下弥散声场的声压均匀性测量验证；
在弥散声场区域内选择6个水听器布放测点，每个测点之间的距离大于所测频段下限频率波长的1/2；标准发射换能器阵列输出单频连续正弦声信号，在每个测点位置处测量30s声压信号，每测量0.5s做一次频谱运算，得到测量频谱数据组60组，确定每个频率点声压均匀性的标准偏差，在水下人工弥散声场工作频带内标准偏差小于1.5dB。
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| CN109243423A (zh) | 2019-01-18 |
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