CN109916497B - 一种在混响水槽测量水下声源甚低频辐射特性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水下声源辐射检测领域，具体涉及一种在混响水槽测量水下声源甚低频辐射特性的方法。根据混响水槽的结构参数及水位确定确定测量系统参数，安置待测水下声源，选取信息测量包面，布放测量系统湿端，采集水下声源信号，分离测量系统信号，修正辐射声能分量，计算自由场声源级，最终将水下声源的等效自由场声源级在测量系统干端存储并输出。相对于通过消声水池或者开阔水域实现水下目标的低频辐射特性测量，本发明能够突破了混响水槽的低频测量限制瓶颈，适于复杂水下声源低频以及甚低频辐射特性的在线评估和减振降噪效果的评价，适于低频水声发射换能器的源级标定。
Description
技术领域
本发明涉及水下声源辐射检测领域，具体涉及一种在混响水槽测量水下声源甚低频辐射特性的方法。
背景技术
水下目标声源辐射特性是水声技术的重要应用基础，是实现水下目标探测与识别的前提条件。声源级是描述水下目标辐射特性最为重要的声学参量之一，具有极其重大的理论意义及应用价值。当前普遍利用自由场环境测量水下目标的低频辐射特性，一般通过消声水池或者开阔水域实现。
由于消声水池造价昂贵，且吸声尖劈在低频范围内吸声效果较差；而开阔水域则需具备外场条件，这使得开展水下声源低频及甚低频辐射特性的测量工作极为不便。
目前，对于水下混响声场中声源辐射特性的测量方法，中国学者李琪等人最先采用混响法在非消声水池中获得了声源的自由场特性，尚大晶、李琪、商德江等人在哈尔滨工程大学学报发表的论文——水下声源辐射声功率测量实验研究。然而受水池尺度的限制，混响法主要应用于水下小目标及中高频声源的测量中。之后，申请号为CN201410659055.3的专利，一种在置于空气中的矩形混响水槽内测量水下声源低频辐射声功率的方法，提出了一种基于声场精细校准的混响法低频扩展测试技术，可应用于混响声场首阶共振频率以上低频共振频段声源辐射特性的测量，有效扩展了混响法在低频域测量的应用。但是，当测量频率低于非消声水池的首阶共振频率时，声场中不存在声模态，声波以“倏逝波”的形式随传播距离快速衰减，远场测量已经不能满足信噪比条件，故上述方法不再适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在混响水槽测量水下声源甚低频辐射特性的方法，以适于复杂水下声源低频以及甚低频辐射特性的在线评估和减振降噪效果的评价，适于低频水声发射换能器的源级标定，极大地拓展了混响水槽的应用范围。
本发明实施例提供一种在混响水槽测量水下声源甚低频辐射特性的方法，包括：
步骤一：确定测量系统参数步骤，根据混响水槽的结构参数以及水位参数采用范围公式进行计算，得到测量系统有效测量频率范围以及测量系统可测水下声源最大尺度数据；
步骤二：安置待测水下声源步骤，根据使待测水下声源等效声中心与水池水槽壁、水池水底以及水池水面边界的距离大于测试最低频率的十分之一波长的方法，将待测水下声源放置于混响水槽中选定位置处；
步骤三：选取信息测量包面步骤，根据使声场信息测量包面与待测水下声源表面的最大距离不超过测试最高频率的十分之一波长的方法，选取完全容纳步骤二所述的待测水下声源的封闭曲面作为声场信息测量包面，并且根据使同一方向相邻声场信息测点间隔不超过测试最高频率的六分之一波长的方法，选取声场信息测量包面上等间隔的点作为声场信息测点；
步骤四：布放测量系统湿端步骤，根据使步骤二所述的待测水下声源等效声中心与一组/两个水听器沿步骤三所述的声场信息测点位置处表面法线方向共线的方法以及使各组水听器间距完全一致且小于测试最高频率的七分之一波长的方法，将一组/两个水听器布放在关于声场信息测点对称的声场信息测量包面内、外两侧位置；
步骤五：采集水下声源信号步骤，根据步骤一所述的测量系统有效测量频率范围，通过选择单频连续正弦信号作为待测水下声源的激励输入以及调节信号输入幅值和功率放大器增益使之满足测量的信噪比要求的方法，通过步骤四所述的测量系统湿端采集，得到待测水下声源工作状态稳定后各组水听器的时域声压信号，将时域声压信号作为待测水下声源近场声能流声压信号分量；
步骤六：分离测量系统信号步骤，根据步骤五所述的待测水下声源近场声能流声压信号分量，通过在测量系统干端进行待测水下声源近场声能流分离处理，得到待测水下声源的辐射声能分量；
步骤七：修正辐射声能分量步骤，根据步骤六所述的待测水下声源的辐射声能分量，通过对待测水下声源的辐射声能分量进行自由场修正，得到自由场修正后的辐射声能；
步骤八：计算自由场声源级步骤，根据步骤七所述的自由场修正后的辐射声能，通过水下声源的等效自由场声源级公式计算，得到水下声源的等效自由场声源级；
步骤九：输出测量系统数据步骤，根据步骤八所述的水下声源的等效自由场声源级，通过在测量系统干端选择存储路径并创建工况名称以及记录水下声源在混响水槽中的空间位置坐标信息及测量环境水温，得到声源级—频率散点图形式的结果，存储并输出在测量系统干端；
所述步骤一，包括：
确定测量系统参数步骤，根据混响水槽的结构参数以及水位参数采用范围公式进行计算，得到测量系统有效测量频率范围以及测量系统可测水下声源最大尺度数据；
其中，所述范围公式为：
上式中，fh为有效测量频率范围的上限频率，Lx为水槽长度，Ly为水槽宽度，Lz为水面距水槽底的高度，c为水中声速；
所述步骤六，包括：
分离测量系统信号步骤，根据步骤五所述的待测水下声源近场声能流声压信号分量，通过在测量系统干端进行待测水下声源近场声能流分离处理，得到待测水下声源的辐射声能分量；
其中，所述待测水下声源近场声能流分离处理的具体方法为：
上式中，Er表示声场信息测量包面上一声场信息测点位置处的辐射声能，En表示声场信息测量包面上一声场信息测点位置处的净态声能，Em表示声场信息测量包面上一声场信息测点位置处的介质声能；
上式中，P1为该测点位置处对应的内侧水听器采集到的时域声压信号p1的傅里叶变换，P2为外侧水听器采集到的时域声压信号p2的傅里叶变换，ρ为水的密度，c为水中声速，j为虚数单位，ω＝2πf为圆频率，d为两个水听器的间距，Re{}为取复数实部，||为取复数模值，*为取复数共轭；
所述步骤七，包括：
修正辐射声能分量步骤，根据步骤六所述的待测水下声源的辐射声能分量，通过对待测水下声源的辐射声能分量进行自由场修正，得到自由场修正后的辐射声能；
其中，所述自由场修正的具体方法为：
Erc＝Er-Ec
上式中，Erc为包面上一测点位置处经自由场修正后的辐射声能，Ec为其修正因子；
上式中，k＝ω/c为声波的波数，r为声源的等效声中心与测点的距离；
所述步骤八，包括：
计算自由场声源级步骤，根据步骤七所述的自由场修正后的辐射声能，通过水下声源的等效自由场声源级公式计算，得到水下声源的等效自由场声源级；
其中，所述水下声源的等效自由场声源级公式计算具体方法为：
上式中，SL为水下声源的等效自由场声源级，Erci为包面上第i个测点位置处经自由场修正后的辐射声能，n为包面上测点总数，Δs为单个测点在包面上所占面元面积大小，S为包面的总面积；
本发明的有益效果在于：
1.突破了混响水槽的低频测量限制瓶颈；
2.本发明适于复杂水下声源低频以及甚低频辐射特性的在线评估和减振降噪效果的评价；
3.本发明适于低频水声发射换能器的源级标定，极大地拓展了混响水槽的应用范围。
附图说明
图1为一种在混响水槽测量水下声源甚低频辐射特性的方法的流程图；
图2为本发明测量系统的示意图；
图3为本发明玻璃水槽及球型声源空间位置的俯视图；
图4为本发明声场信息测量包面及声场信息测点分布的示意图；
图5为采用本发明方法在玻璃水槽中得到的球型声源甚低频自由场声源级未经修正及修正后的窄带测量结果与自由场测量结果对比图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图附图对本发明做进一步描述：
图1为一种在混响水槽测量水下声源甚低频辐射特性的方法的流程图；
图2为本发明测量系统的示意图；
图3为本发明玻璃水槽及球型声源空间位置的俯视图；
图4为本发明声场信息测量包面及声场信息测点分布的示意图；
图5为采用本发明方法在玻璃水槽中得到的球型声源甚低频自由场声源级未经修正及修正后的窄带测量结果与自由场测量结果对比图。
所述的实验所用玻璃水槽长1.52m，宽0.95m，水面距水槽底高0.58m，壁厚为0.01m，水温20℃，水中声速m/s；实验采用无指向性球型声源EDO 6829-17k作为待测水下声源，球型声源半径为0.05m。测量系统组成为：功率放大器采用B&K 2713，水听器采用B&K8103，动态信号分析仪采用B&K PULSE 3560E。
本发明所描述的方法是这样实现的：
(1)根据混响水槽的结构参数及水位确定测量系统的有效测量频率范围和可测的水下声源最大尺度。由公式：
计算得到，在玻璃水槽中测量球型声源甚低频辐射特性，其有效测量频率范围不高于1574Hz。
(2)布放待测水下声源。如图2所示，将球型声源吊放于玻璃水槽中，使其声中心位于水深0.3m处，其水平方向位置分布参照图3。
(3)选取声场信息测量包面及测点。选择半径为0.07m，且与球型声源同心的球形封闭曲面作为声场信息测量包面。包面上测点分布情况如图4所示，由于球面是轴对称图形，因此以旋转面为代表给出测点分布的具体情况：各测点与球心的径向距离均为0.07m，周向相邻测点间隔18°。
(4)布放测量系统湿端。由于实验所用球型声源不具有空间指向性，而且玻璃水槽内声场比较均匀，所以实际测量时以单个测点代替包面上所有测点的测量值。在测点位置处沿该点法线方向布放一组/两个B&K 8103水听器，使其分别位于包面的内、外两侧且关于该测点对称，内侧水听器与球心的径向距离为0.06m，外侧水听器与球心的径向距离为0.08m。
(5)利用测量系统湿端采集水下声源近场声能流声压信号分量。测量系统如图2所示，调节发射系统，使球型声源发声。输入信号为单频连续正弦信号，发射频率为1.1-1.5kHz，频率间隔100Hz，幅度200mV峰峰值，功率放大器调节至“40dB”固定增益档，待球型声源工作状态稳定后，同时记录下两个水听器的时域声压信号。采集时长2s，重复采集5次。
(6)在测量系统干端进行水下声源近场声能流分离处理，得到水下声源的辐射声能分量。
(7)对水下声源的辐射声能分量进行自由场修正。由公式：
Erc＝Er-Ec
式中，r为球型声源声中心即球心与测点的径向距离。
(8)计算水下声源的等效自由场声源级。
(9)将水下声源的等效自由场声源级在测量系统干端存储并显示输出。将本次测量工作命名为工况1，存储在数据硬盘分区，声源在混响水槽中的空间位置坐标(0.52，0.52，0.28)，测量环境水温20℃，测量结果以声源级—频率散点图的形式绘于图5。
利用本发明的方法及测量系统在玻璃水槽中得到的球型声源甚低频自由场声源级未经修正及修正后的测量结果与自由场测量结果对比如图5所示，其中，声源级的参考值为0.67×10-18W/m2。
结果分析：采用本发明提供的在小尺度混响水槽测量水下声源甚低频辐射特性的方法及测量系统，经自由场修正后，在玻璃水槽中得到的球型声源甚低频自由场声源级的测量结果与自由场相比具有良好的一致性，其窄带测量偏差不大于2dB。因此采用本发明提供的方法及测量系统在小尺度混响水槽中测量水下声源甚低频辐射特性是完全可信的。
Claims (1)
1.一种在混响水槽测量水下声源甚低频辐射特性的方法，其特征在于，包括：
步骤一：确定测量系统参数步骤，根据混响水槽的结构参数以及水位参数采用范围公式进行计算，得到测量系统有效测量频率范围以及测量系统可测水下声源最大尺度数据；
步骤二：安置待测水下声源步骤，根据使待测水下声源等效声中心与水池水槽壁、水池水底以及水池水面边界的距离大于测试最低频率的十分之一波长的方法，将待测水下声源放置于混响水槽中选定位置处；
步骤三：选取信息测量包面步骤，根据使声场信息测量包面与待测水下声源表面的最大距离不超过测试最高频率的十分之一波长的方法，选取完全容纳步骤二所述的待测水下声源的封闭曲面作为声场信息测量包面，并且根据使同一方向相邻声场信息测点间隔不超过测试最高频率的六分之一波长的方法，选取声场信息测量包面上等间隔的点作为声场信息测点；
步骤四：布放测量系统湿端步骤，根据使步骤二所述的待测水下声源等效声中心与一组/两个水听器沿步骤三所述的声场信息测点位置处表面法线方向共线的方法以及使各组水听器间距完全一致且小于测试最高频率的七分之一波长的方法，将一组/两个水听器布放在关于声场信息测点对称的声场信息测量包面内、外两侧位置；
步骤五：采集水下声源信号步骤，根据步骤一所述的测量系统有效测量频率范围，通过选择单频连续正弦信号作为待测水下声源的激励输入以及调节信号输入幅值和功率放大器增益使之满足测量的信噪比要求的方法，通过步骤四所述的测量系统湿端采集，得到待测水下声源工作状态稳定后各组水听器的时域声压信号，将时域声压信号作为待测水下声源近场声能流声压信号分量；
步骤六：分离测量系统信号步骤，根据步骤五所述的待测水下声源近场声能流声压信号分量，通过在测量系统干端进行待测水下声源近场声能流分离处理，得到待测水下声源的辐射声能分量；
步骤七：修正辐射声能分量步骤，根据步骤六所述的待测水下声源的辐射声能分量，通过对待测水下声源的辐射声能分量进行自由场修正，得到自由场修正后的辐射声能；
步骤八：计算自由场声源级步骤，根据步骤七所述的自由场修正后的辐射声能，通过水下声源的等效自由场声源级公式计算，得到水下声源的等效自由场声源级；
步骤九：输出测量系统数据步骤，根据步骤八所述的水下声源的等效自由场声源级，通过在测量系统干端选择存储路径并创建工况名称以及记录水下声源在混响水槽中的空间位置坐标信息及测量环境水温，得到声源级—频率散点图形式的结果，存储并输出在测量系统干端；
所述步骤一，包括：
确定测量系统参数步骤，根据混响水槽的结构参数以及水位参数采用范围公式进行计算，得到测量系统有效测量频率范围以及测量系统可测水下声源最大尺度数据；
其中，所述范围公式为：
上式中，fh为有效测量频率范围的上限频率，Lx为水槽长度，Ly为水槽宽度，Lz为水面距水槽底的高度，c为水中声速；
所述步骤六，包括：
分离测量系统信号步骤，根据步骤五所述的待测水下声源近场声能流声压信号分量，通过在测量系统干端进行待测水下声源近场声能流分离处理，得到待测水下声源的辐射声能分量；
其中，所述待测水下声源近场声能流分离处理的具体方法为：
上式中，Er表示声场信息测量包面上一声场信息测点位置处的辐射声能，En表示声场信息测量包面上一声场信息测点位置处的净态声能，Em表示声场信息测量包面上一声场信息测点位置处的介质声能；
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所述步骤七，包括：
修正辐射声能分量步骤，根据步骤六所述的待测水下声源的辐射声能分量，通过对待测水下声源的辐射声能分量进行自由场修正，得到自由场修正后的辐射声能；
其中，所述自由场修正的具体方法为：
Erc＝Er-Ec
上式中，Erc为包面上一测点位置处经自由场修正后的辐射声能，Ec为其修正因子；
上式中，k＝ω/c为声波的波数，r为声源的等效声中心与测点的距离；
所述步骤八，包括：
计算自由场声源级步骤，根据步骤七所述的自由场修正后的辐射声能，通过水下声源的等效自由场声源级公式计算，得到水下声源的等效自由场声源级；
其中，所述水下声源的等效自由场声源级公式计算具体方法为：
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Application publication date: 20190621 Assignee: QINGDAO OUSHEN AIERSI OCEAN INFORMATION EQUIPMENT CO.,LTD. Assignor: HARBIN ENGINEERING University Contract record no.: X2023980042850 Denomination of invention: A method for measuring the very low frequency radiation characteristics of underwater sound sources in a reverberation tank Granted publication date: 20210723 License type: Common License Record date: 20230928 |
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