CN110426460A - 一种水声材料去耦特性参数的行波管测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水声材料去耦特性参数的行波管测量装置与方法，主要通过建立50Hz～1000Hz水声材料声振特性参数行波管校准装置，实现水声材料构件声压反射系数、透射系数和去耦系数在变温、变压条件下的测量；通过水层将换能器辐射面的振动耦合到样品上，测量在规定钢板基座上贴和不贴隔声去耦瓦透射声波声压和激励振动速度之间的传递函数之比，得到隔声去耦瓦的去耦特性；在测量过程中，使用力传感器检测发射换能器辐射头激励的稳定性。

Description

一种水声材料去耦特性参数的行波管测量装置与方法

技术领域

本发明涉及水声计量测试的领域，具体涉及一种水声材料去耦特性参数的行波管测量装置与方法。

背景技术

水声材料在潜艇声隐身工程和声纳设备中具有举足轻重的作用。为了降低潜艇被敌方被动声纳发现的概率，必须减少潜艇本身的低频辐射噪声，消声瓦和隔声去耦瓦的研究和应用发展迅速，是我国潜艇声隐身技术的发展重点方向之一。声纳水下声系统中的基阵声障板﹑水听器模块及其安装构件的去耦隔振性能也是非常重要的，可以抑制安装平台对水听器阵的振动影响，提高水听器阵的接收信噪比，提高声纳技战术性能指标。所以，目前对水声材料的去耦特性参数的测量提出了新的要求：(1)工作频率低到被动声纳的工作频率；(2)工作压力大到潜艇极限深度；(3)不但需要测量声压透声系数，还需要测量去耦系数。

50Hz～1000Hz频段是潜艇声隐身工程和声纳设备减震降噪最关心的频率范围，在消声水池等自由场中测量水声材料样品在该频道的声学性能几乎是不可能的，因为水中的波长比被测样品大得多，样品的边缘衍射会严重干扰测量。为了评价隔声去耦瓦或舷侧阵声障板模块在应用中的减隔振性能，研究单位通常采用简易振动台装置在空气中测量，不能模拟水声材料样品的实际工况。

早期的水声材料一般工作频率在千赫兹以上频段，国外有一种在脉冲声管中通过比较发射器表面贴与不贴被测样品时声源级差异来评价去耦系数的测量方法。但随着水声去耦材料器件内部结构的更加复杂、工作频率的逐步降低，由于脉冲声管内径尺寸和工作频率的限制已经不能满足测量要求了。进入21世纪，美国水下作战中心USRD采用了零浮力加速度传感器在高压消声水灌中测量大面积样品板两面的振速传递系数的方法，测量频率在500Hz以上，如附图1所示。但该方法测量频率难以低到50Hz。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种水声材料去耦特性参数的行波管测量装置与方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种水声材料去耦特性参数的行波管测量装置，主要包括厚壁的声管、安装于行波管上下端的发射换能器A和发射换能器B、嵌入式安装的水听器、一套电子测量仪器、测量软件和辅助设备。所述行波管垂直安装，行波管由长度相同的两段组成，通过机械控制进行开合密封，行波管内部充纯净水，样品安装于行波管管中央，主发射器和次发射器分别安装于行波管两端，专用水听器安装在行波管管壁上，敏感元件伸入行波管中央。

所述主发射器和次发射器内部采用去耦设计。

所述辅助设备主要包括水温控制系统、机械控制系统、压力控制系统、控制终端。

所述电子测量仪器主要包括一下部件：双通道任意信号发生器为测量信号源；专用功率放大器A和专用功率放大器B驱动次发射器、主发射器；多通道滤波器和前置放大器，对应声管中每路水听器，对水听器输出的弱电信号进行调理；多路信号采集分析仪，对多路水听器接收信号进行同步采集处理；计算机和外设以安装测量软件并进行电子仪器控制和声学计算、测量结果输出。

所述测量软件包括校准软件，进行电子测量仪器控制、声信号采集和分析、声学计算和结果输出。

这种水声材料去耦特性参数的行波管测量方法，主要包括以下步骤：

1)建立一套水声材料声振特性参数行波管校准装置；

2)将标准不锈钢样品放入行波管中央；

3)采用主动消声迭代算法建立行波声场，记录不锈钢样品前表面激励声压和背面振速之间的转移阻抗；

4)将被测水声材料样品贴覆在不锈钢样品上，记录被测样品前表面激励声压和不锈钢样品背面振速之间的转移阻抗；

5)计算所述两个转移阻抗之比，即得到被测样品的去耦系数。

测量信号为正弦连续信号，通过在一定的水温、静水压条件下频率点逐次测量，测量整个行波管10测量频段、工作水温和静水压范围内水声材料样品的声振特性参数。

去耦材料作为潜艇和舰壳声纳减震降噪材料的一类，将它覆盖在潜艇中机械振动严重的区域外壳上，屏蔽机械噪声和振动耦合到壳体和声基阵上，提高潜艇的安静和声纳性能，工作原理如附图2所示。这种去耦层的工作情况和单纯的隔声有所不同，除了要求材料的透射系数很小外，还要求隔振。所以有必要引入去耦系数的概念来直接描述材料的去耦性能。假设壳体平板(其尺寸远大于波长)作活塞式振动，辐射声波的传播方向垂直于去耦层平面，则去耦系数定义为：

B＝P/P₀

其中：P₀——无去耦层时，辐射声波在其外法线方向上振动面近处的声压；

P——覆盖去耦层时，壳体作同样位移振动，同一参考点上的声压。

一块理想的去耦板应有|B|→0。

本发明的有益效果为：

1、本发明在低频行波管中实现水声材料去耦特性参数的测量，通过低频行波管设计和建设、低频耐压换能器和水听器、电子仪器等硬件配置，通过管中主动消声技术建立管中行波声场，提出了50Hz～1000Hz频率范围水声材料去耦特性参数的测量方法，编制自动测量软件，扩展了样品声振特性参数的测量种类，解决了样品只能在空气中或自由场水域进行，在模拟应用环境条件下无法实现测量的问题，提高了测量准确性。

2、本发明通过建立50Hz～1000Hz水声材料声振特性参数行波管校准装置，实现了水声材料构件声压反射系数、透射系数和去耦系数在变温、变压条件下的测量；通过水层将换能器辐射面的振动耦合到样品上，可以测量在规定钢板基座上贴和不贴隔声去耦瓦透射声波声压和激励振动速度之间的传递函数之比，得到隔声去耦瓦的去耦特性；在测量过程中，可以使用力传感器检测发射换能器辐射头激励的稳定性。

附图说明

图1为高压消声水灌中水声材料样品测量示意图。

图2为去耦层的工作原理图。

图3为50Hz～1000Hz水声材料声振特性参数行波管校准装置图。

图4为样品去耦系数测量无样品状态时示意图。

图5为样品去耦系数测量有样品状态时示意图。

附图标记说明：阵基元1、机械噪声2、去耦层3、被动声呐4、降低的噪声5、发射换能器A6、发射换能器B7、水听器8、样品9、行波管10、力传感器11、标准水听器12、接线盒13、电荷调理器14、信号源和采集系统15、专用电缆16、专用功率放大器A17、专用功率放大器B18、计算机GPIB卡19、水温控制系统20、机械控制系统21、压力控制系统22、控制终端23、钢标24、声管25、次发射器26、主发射器27。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

实施例：如附图所示，这种水声材料去耦特性参数的行波管测量装置，主要包括厚壁的声管25、安装于行波管10上下端的一对发射换能器A6和发射换能器B7、嵌入式安装的水听器8、一套电子测量仪器、测量软件和辅助设备。不同于传统的材料样品减震阻尼特性在空气中或在自由场水域中的测量，在行波管10中测量更符合被测样品的应用特性和环境，使样品声振特性参数的测量更加精准和实用。

所述行波管10垂直安装，行波管10为内径Φ300mm，外径Φ600mm，长5m，由长度2.5m的两段组成，通过机械控制进行开合密封，行波管10内部充纯净水，样品9安装于行波管10管中央，主发射器27和次发射器26分别安装于行波管10两端，专用水听器8安装在行波管10管壁上，敏感元件伸入行波管10中央。

所述主发射器27和次发射器26内部采用去耦设计。

所述辅助设备主要包括水温控制系统20、机械控制系统21、压力控制系统22、控制终端23。

所述电子测量仪器主要包括双通道任意信号发生器为测量信号源；专用功率放大器A17和专用功率放大器B18驱动次发射器26、主发射器27；多通道滤波器和前置放大器，对应声管中每路水听器8，对水听器8输出的弱电信号进行调理；多路信号采集分析仪，对多路水听器8接收信号进行同步采集处理；计算机和外设以安装测量软件并进行电子仪器控制和声学计算、测量结果输出。

所述测量软件包括校准软件，进行电子测量仪器控制、声信号采集和分析、声学计算和结果输出。

这种水声材料去耦特性参数的行波管测量方法，主要包括以下步骤：

1)建立一套水声材料声振特性参数行波管校准装置；

2)将标准不锈钢样品放入行波管中央；

3)采用主动消声迭代算法建立行波声场，记录不锈钢样品前表面激励声压和背面振速之间的转移阻抗；

4)将被测水声材料样品贴覆在不锈钢样品上，记录被测样品前表面激励声压和不锈钢样品背面振速之间的转移阻抗；

5)计算所述两个转移阻抗之比，即得到被测样品的去耦系数。

测量信号为正弦连续信号，通过在一定的水温、静水压条件下频率点逐次测量，测量整个行波管测量频段、工作水温和静水压范围内水声材料样品的声振特性参数。

本发明总体思路为：如附图4和附图5所示，样品9底面为x＝0处，分别给出了每个水听器8的位置坐标、离次发射器26的距离、水听器8间距和水听器8与样品9的距离。在行波管10中的行波场形成以后，先测出钢标24上无去耦层样品9时的振速u0和辐射声压p0，然后再测出钢标24上加贴去耦层样品9时的振速u和辐射声压p，根据下式计算得到去耦系数B。

实施例2：本发明是在行波管10中建立行波声场基础上开展的，测量装置见附图3所示。测量的第一步是在行波管10中建立行波声场，通过次发射器26发射和样品9透射声波幅度相同、相位相反的声波，抵消样品9透射声波，使样品的透射声波在行波管10顶端不形成反射，使透射声波等效为管中的行波，类似声管25无限长一样，轴向声场类似自由场，这样可以在行波管10中用连续波进行样品去耦系数的测量。

测量时位于声管25底部的主发射器27发射正弦声波，垂直入射到样品9表面。设入射平面波声压为p_in，反射波声压为p_re，透射波声压为p_tr。根据行波场形成原理，不断地调节次发射器26、主发射器27发射信号的幅度比和相位差，在声管25上半部分形成行波声场，即样品9透射波的单向传播。在理想状态下，行波场形成时次发射器26表面的声压反射系数r应为零，而在下半部分声管25则是由入射声波和样品9的反射波叠加形成的驻波声场。

次发射器表面的声压反射系数r表示如下：

r＝(p'_re+Z·U_φ)/p′_in

其中，p'_re是次发射器26表面的反射波声压，p'_in是入射到次发射器26表面的入射波声压，Z·U_φ是次发射器26的发射波声压，U_φ是专用功率放大器B18的输入信号电压，Z是传递系数。在管中消声的主要步骤如下：

1)次发射器26不工作，只有主发射器27发射声波，即U_φ＝0。用双水听器8传递函数法计算次发射器26表面的反射系数r₀，如下式：

式中，为双水听器8相对灵敏度的倒数；k为管中声波波数；D_n为n号水听器8与次发射器26表面的距离；l_mn为组成双水听器8的m号和n号水听器8之间的距离；为m、n号双水听器8的传递函数；M_m、M_n为m、n号水听器8的灵敏度；U_m、U_n为m、n号水听器8通道输出的电压。

2)在主发射器27发射状态不变的情况下，次发射器26由一个特定幅度和相位的电信号U_φ＝U₀expiφ₀驱动。测量此时次发射器26表面的反射系数r₁：

得到：

3)假设当输入专用功率放大器B18的信号为U_φ＝U_xexpiφ_x时，达到了主动消声的理想情况，则次发射器26表面的反射系数应为：

r₁＝r₀+Z'·U_xexpiφ_x＝0

可求得：

4)将计算得到的U_φ由信号源产生，输入到专用功率放大器B18驱动次换能器，再根据式

测量得到新的次发射器26表面反射系数r₂。如果r₂≤δ，认为声管25顶端已变成了理想的吸声器。δ为设定的吸声器表面反射系数(满足反射可忽略的条件)。此时，透过被测样品9的声场中只存在行波，可进入样品9声压反射系数和透射系数参数的测量步骤。

5)如果上述条件没有满足，则进行

计算，再重复步骤3和4的过程，直到满足吸声器的条件为止。

上述主动消声过程可以由行波管装置测量软件自动实现。

实际测量时难以保证每次的发射换能器振动激励相同，通过水层将换能器辐射面得振动耦合到样品9上，可以测量在规定钢板基座上贴和不贴隔声去耦瓦透射声波声压和激励振动速度之间的传递函数之比，得到隔声去耦瓦的去耦特性。当然，在测量过程中，可以使用力传感器11检测发射换能器辐射头激励的稳定性。

如附图4和5所示，在行波管10中行波场形成以后，先测出钢标24上无去耦层样品时的振速u₀和辐射声压p₀，然后再测出钢标24上加贴去耦层样品时的振速u和辐射声压p，根据下式计算得到去耦系数B：

本发明工作实施过程：

1)将待测水声去耦材料制成直径符合行波管10内径的圆柱体。

2)打开附图3所示行波管10，将不锈钢标准样品放入行波管10内部固定在中央支架上，确保平整。启动机械控制系统21，闭合行波管10；启动压力控制系统22，使行波管10内注满纯净水，开启抽真空设备消除管中气泡，然后加压到需测量的压力点。

3)开启测量装置的电子仪器和软件，根据测量需要，选定所需的测量频率点，在测量软件界面上设置主发射器27信号源输出幅值，调节功放增益和阻抗；启动测量软件自动实现管中主动消声程序，直至在次发射器26与样品9之间形成行波场，主发射器27与样品之9间已经形成驻波场。

4)如附图4，先测出测量频段内不锈钢标准样品上无去耦层3样品时的振速u₀和辐射声压p₀。

5)如需要，调节不同静水压，重复上一步。

6)启动压力控制系统22，打开泄压阀，释放管中压力，放出行波管10中的水介质。

7)启动机械控制系统21，打开行波管10，取出标准样品9，粘上被测去耦材料样品9，重新放入行波管10原来位置，见附图5。

8)重复过程1～3，用同样的方法再测出钢标24上加贴去耦层3样品时的振速u和辐射声压p。

9)如需要，调节不同静水压，测出钢标24上加贴去耦层样品9时的振速u和辐射声压p。

10)根据公式

计算得到不同静水压下、不同频率的被测样品9去耦系数B。

总之，通过本发明无需依赖于传统的空气或自由场水域中减震阻尼材料特性的测量；解决传统测量无法满足测量频率范围内、变温、变压条件下的实际测量问题，实现了50Hz～1000Hz水声材料声振特性参数行波管10校准装置对样品9声压反射系数、透射系数和去耦系数等声参数在变温、变压条件下的测量。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种水声材料去耦特性参数的行波管测量装置，其特征在于：主要包括厚壁的声管(25)、安装于行波管(10)上下端的发射换能器A(6)和发射换能器B(7)、嵌入式安装的水听器(8)、一套电子测量仪器、测量软件和辅助设备；所述行波管(10)垂直安装，行波管(10)由长度相同的两段组成，通过机械控制进行开合密封，行波管(10)内部充纯净水，样品(9)安装于行波管(10)管中央，主发射器(27)和次发射器(26)分别安装于行波管(10)两端，水听器(8)安装在行波管(10)管壁上，敏感元件伸入行波管(10)中央。

2.根据权利要求1所述的水声材料去耦特性参数的行波管测量装置，其特征在于：所述主发射器(27)和次发射器(26)内部采用去耦设计。

3.根据权利要求1所述的水声材料去耦特性参数的行波管测量装置，其特征在于：所述辅助设备主要包括水温控制系统(20)、机械控制系统(21)、压力控制系统(22)、控制终端(23)。

4.根据权利要求1所述的水声材料去耦特性参数的行波管测量装置，其特征在于：所述电子测量仪器主要包括以下部件：双通道任意信号发生器为测量信号源；专用功率放大器A(17)和专用功率放大器B(18)驱动次发射器(26)、主发射器(27)；多通道滤波器和前置放大器，对应声管(25)中每路水听器(8)，对水听器(8)输出的弱电信号进行调理；多路信号采集分析仪，对多路水听器(8)接收信号进行同步采集处理；计算机和外设以安装测量软件并进行电子仪器控制和声学计算、测量结果输出。

5.一种水声材料去耦特性参数的行波管测量方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

1)建立一套水声材料声振特性参数行波管校准装置；

2)将标准不锈钢样品(9)放入行波管(10)中央；

3)采用主动消声迭代算法建立行波声场，记录不锈钢样品(9)前表面激励声压和背面振速之间的转移阻抗；

4)将被测水声材料样品(9)贴覆在不锈钢样品上，记录被测样品(9)前表面激励声压和不锈钢样品背面振速之间的转移阻抗；

5)计算所述两个转移阻抗之比，即得到被测样品(9)的去耦系数。

6.根据权利要求5所述的水声材料去耦特性参数的行波管测量方法，其特征在于：测量信号为正弦连续信号，通过在一定的水温、静水压条件下频率点逐次测量，测量整个行波管(10)测量频段、工作水温和静水压范围内水声材料样品的声振特性参数。