CN114354748A - 一种水声材料样品吸声系数的低频管测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及计量测试领域，公开了一种水声材料样品吸声系数的低频管测量方法及测量装置，低频管底部法兰上安装了低频发射换能器，被测样品可被水平悬吊于管中任何位置，被测样品和发射换能器之间充满除汽水；被测样品上表面粘贴有刚性背衬，记录低频发射换能器表面压力、振速和刚性背衬上的振速；计算得到被测样品的声压反射系数和吸声系数。本发明通过低频管的独特设计，低频活塞式激励声源和压力、加速度传感器的集成，建立了水声材料样品吸声系数低频管测量系统，避免了双水听器传递函数法测量时双水听器对管中声场的检测和传递函数的计算，很好地解决了双水听器灵敏度一致性、驻波声场的极值点等因素引起较大测量误差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及计量测试领域，尤其涉及了一种水声材料样品吸声系数的低频管测量方法及测量装置。
背景技术
大潜深安静型潜艇是我国海军力量的重要组成部分，是杀手锏和战斗力的重要标志。大潜深安静型潜艇以其隐蔽性、灵活性、突击性等无可替代的优势成为各国二次核打击的优先发展平台，具有战略意义。所以安静型是现代潜艇发展的一个显著特征，其中最重要的手段是潜艇的声隐身，它不仅关系到潜艇的战斗力、攻击力而且与潜艇的自身安全息息相关。
目前，探潜声呐设备向低频、大功率和大潜深的方向发展，随着计算机和信号处理能力的迅速发展，声呐探测距离越来越远，其识别和跟踪能力也大大增强，潜艇隐蔽性得到前所未有的挑战。提高潜艇声学覆盖层的吸声性能可减小潜艇目标强度，且具有降低本艇辐射噪声的效果。潜艇声学覆盖层的吸声和降噪技术指标，同样向低频和大潜深方向发展，但是由于橡胶材料和结构的特点，难度越来越大，成为各国海军安静型潜艇水下声隐身突破发展的一个瓶颈。由此可见，水声材料的研究具有很大开发潜力和扩展空间，对水声材料样品的吸声性能测量技术的研究也是声学覆盖层发展的重要保证。
潜艇声学覆盖层根据主要功能的不同，可分为无回声瓦(Anechoic Tiles)、去耦瓦(Decoupling Tiles)和多功能瓦，分别用于吸收敌方主动声纳的探测声波和屏蔽本艇噪声向海水的辐射，多功能瓦兼顾吸声和去耦两种功能。理论研究中，假设敷设覆盖层的潜艇壳体模型为平面多层结构，模拟双层壳体潜艇(双层钢板中间加肋，中间为水层)和单层壳体潜艇(水层-钢板-空气)构造。因为水声材料的声学和力学特性参数对工作频率和静水压是非常敏感的，随着声纳工作频率的降低和工作深度的增加，在低频和高静水压下的吸声特性测量重要性愈加突出。目前，在自由场中测量1kHz以下频段水声材料样品的声学性能还是比较困难的。因为水中的波长比材料样品中大得多，样品的边缘衍射和绕射干扰严重。为了能快速、正确地测定消声瓦的吸声性能，开展了各种水声声管测量方法的研究。水声声管内可产生较理想的平面波声场，所需的样品尺寸小，边界条件简单，易于与理论计算结果进行对比。低频段的水声材料测量一般采用驻波管和行波管设施，理论上，它们的最低工作频率不受声管长度的限制，管中只要有足够的低频信噪比就能满足测量要求，样品直径和声管内径接近。行波管测量装置在测量样品反射和透射系数时，样品的前后边界均为水介质，适合评价样品本身的声学性能，可以模拟双层壳体潜艇消声瓦的工况。但不能模拟“海水－消声瓦－壳体－空气”这样的单层壳体潜艇的分层情况。采用双水听器传递函数法的氮气加压的低频管设备可模拟“海水－消声瓦－壳体－空气”分层情况，测量敷贴在钢板上的消声瓦样品在气背衬下的吸声系数。但是利用双水听器传递函数法将入射和反射的两列波分离开来时，对双水听器的接收灵敏度一致性有很高的要求，尤其是灵敏度相位的一致性。即使通过水听器生产过程中的元器件、材料、工艺等方面的控制和成品的校准、筛选也很难保证良好的一致性，直接影响被测样品声压反射系数的测量误差，在某些频率点，驻波管中还存在入射波和反射波叠加形成的轴向声场波峰波谷，测量误差较大。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种水声材料样品吸声系数的低频管测量方法及测量装置。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种水声材料样品吸声系数的低频管测量方法，包括以下步骤：
1)将被测样品制成与低频管内壁间隙配合的圆柱体；
2)打开低频管，将被测样品放入并固定在管内，确保平整，闭合低频管；
3)启动与低频管(1)连接的压力控制系统，开启抽真空设备使低频管中形成负压，利用外部大气压将纯净水注入到低频管内一定高度并形成测量段，使被测样品刚好没入测量段的水柱中；
4)开启测量系统，连接安装在低频发射换能器(2)的活塞振动面上的第一加速度传感器和第一压力传感器，连接安装在被测样品的刚性背衬上的第二加速度传感器，运行计算机上的测量软件，软件控制流程如下：①输入测量信息，包括刚性背衬的厚度、密度和声速，水柱的高度、密度和声速，水温和水压等信息；②选定所需的测量频率点，包括起始频率、结束频率和频率间隔，装置的测量频率范围为：100Hz～4kHz，可采用等间隔或三分之一倍频程；③设置程控仪器的参数，包括信号源输出正弦信号幅值，根据功率放大器技术要求一般不大于1V；针对接收测量信号，调节功放输出阻抗和前置放大器的增益，在仪器不过载的条件下使接收到的测量信号具有大于20dB的信噪比；使低频发射换能器的活塞与被测样品之间已经形成稳定的平面波声场；
5)通过安装在低频发射换能器上的第一加速度传感器和第一压力传感器测得其活塞振动面的声压p0和振速v0，以及被测样品上刚性背衬的振速v2，最终得到被测样品的吸声系数a；
6)调节不同静水压，重复步骤5)；
7)测量结束后，启动压力控制系统，打开泄压阀，释放低频管中压力；
8)打开低频管(1)，取出被测样品。
作为优选，在步骤5)中一定的静水压条件下按设定频率点逐次测量低频发射换能器(2)的活塞振动面的声压p0、振速v0以及被测样品上刚性背衬的振速v2，通过对信号进行快速傅里叶变换，得到幅值和相位；已知低频发射换能器辐射面和被测样品之间的水柱高度、声速和密度，根据测得的低频发射换能器的活塞振动面的声压p0、振速v0，计算得到水柱和被测样品界面的输入阻抗z0，从而测得一定静水压范围内水声材料被测样品的低频声压反射系数R和吸声系数a。
一种水声材料样品吸声系数的低频管测量装置，包括竖直放置的低频管，低频管的下部安装有低频发射换能器，低频管的中部安装有刚性背衬，低频发射换能器与刚性背衬之间的管段为充满水的测量段，被测样品与刚性背衬固接并位于测量段中，低频发射换能器的活塞振动面上集成有第一加速度传感器和第一压力传感器，刚性背衬上安装有第二加速度传感器。
作为优选，被测样品为圆柱体，被测样品与低频管内壁的间隙不大于1mm。
作为优选，低频管包括同轴设置的上管体和下管体，上管体和下管体之间通过开盖法兰连接，还包括支架，支架安装在开盖法兰上，刚性背衬安装在支架上。
作为优选，低频发射换能器由上至下依次包括活塞、稀土棒和避震弹簧，稀土棒上安装有头部质量和尾部质量。
作为优选，低频管的管壁上设有与测量段连通的进水孔，进水孔连接有进水管并通过进水管与水源连接。
作为优选，低频管的上端开口处安装有顶盖法兰，低频管的下端开口处安装有底盖法兰，顶盖法兰和刚性背衬之间的管段为充气的上空腔，低频发射换能器上的活塞与底盖法兰之间的管段为充气的下空腔，上空腔和下空腔均为高气压腔。
作为优选，顶盖法兰和底盖法兰上分别设有与上空腔和下空腔连通的气孔，气孔连接有进气管；顶盖法兰和底盖法兰上均设有供电缆通过的电缆孔，第一加速度传感器和第一压力传感器上连接的电缆通过底盖法兰上的电缆孔伸出，第二加速度传感器上连接的电缆通过顶盖法兰上的电缆孔伸出。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：本发明在实现了一种水声材料样品吸声系数在管中低频测量手段，通过低频管的独特设计，低频活塞式激励声源和声压、加速度传感器的集成，电子仪器配置和测量专用软件编制，建立了水声材料样品吸声系数测量系统，避免了双水听器传递函数法测量时双水听器对管中声场的检测和传递函数的计算，很好地解决了双水听器灵敏度一致性、驻波声场的极值点等因素引起较大测量误差的问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是吸声系数测量的平面波模型。
附图中各数字标号所指代的部位名称如下：1—低频管、2—低频发射换能器、3—刚性背衬、4—被测样品、5—进水管、6—进气管、7—电缆、8—支架、11—上管体、12—下管体、101—顶盖法兰、102—底盖法兰、103—开盖法兰、1001—上空腔、1002—下空腔、1003—测量段、201—第一加速度传感器、202—第一压力传感器、203—活塞、204—稀土棒、205—避震弹簧、206—尾质量、207—头质量、301—第二加速度传感器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种水声材料样品吸声系数的低频管测量方法，其包括以下步骤：
1)被测样品4制成与低频管1内壁间隙配合的圆柱体，直径符合的圆柱体，和管壁间隙不大于1mm；
2)打开低频管1，将被测样品4放入管内的支架8上，确保平整，闭合低频管1；
3)启动与低频管1连接的压力控制系统，开启抽真空设备使低频管1中形成负压，利用外部大气压将纯净水注入到低频管1内一定高度并形成测量段1003，使被测样品4刚好没入测量段1003的水柱中；
4)开启测量系统中的计算机，开启测量系统，开启安装在低频发射换能器2的活塞振动面上的第一加速度传感器201和第一压力传感器202，开启安装在被测样品4的刚性背衬3上的第二加速度传感器301，运行计算机上的测量软件，选定所需的测量频率点，在测量软件界面上设置信号源输出幅值，调节功放增益和阻抗，使低频发射换能器2的活塞203与被测样品4之间已经形成驻波场；
5)通过测量安装在低频发射换能器2上的第一加速度传感器201和第一压力传感器202测得其活塞振动面的声压p0和振速v0，以及被测样品4上刚性背衬3的振速v2，最终得到被测样品的吸声系数a；
6)调节不同静水压，重复步骤5)；
7)测量结束后，启动压力控制系统，打开泄压阀，释放低频管1中压力；
8)打开低频管1，取出被测样品。
步骤4)中的测量信号为正弦连续信号，步骤4)中的测量系统的软件控制流程如下：①输入测量信息，包括刚性背衬的厚度、密度和声速，水柱的高度、密度和声速，水温和水压；②选定所需的测量频率点，包括起始频率、结束频率和频率间隔，V测量装置的测量频率范围为：100Hz～4kHz，采用等间隔或三分之一倍频程；③设置程控仪器的参数，包括信号源输出正弦信号幅值，根据功率放大器技术要求不大于1V；针对接收测量信号，调节功放输出阻抗和前置放大器的增益，在仪器不过载的条件下使接收到的测量信号具有大于20dB的信噪比。
在步骤5)中一定的静水压条件下按设定频率点逐次测量低频发射换能器2的活塞振动面的声压、振速以及被测样品4上刚性背衬3的振速，通过对信号进行快速傅里叶变换，得到幅值和相位；已知低频发射换能器2辐射面和被测样品4之间的水柱高度、声速和密度，根据测得的底部声压和振速，计算得到水柱和被测样品4界面的输入阻抗，从而测得一定静水压范围内水声材料被测样品4的低频声压反射系数和吸声系数。
低频管1中介质具有多层声学结构形式，由低频发射换能器2上的活塞振动辐射面、水层、被测样品4和刚性背衬3组成，平面波模型如图2示。测量段1003水层高度为Hw，水中声速和密度分别为ρw、cw,低频发射换能器2上的活塞振动面上的水层声压和振速分别为p0和v0；被测样品4在水面上的声压和振速分别为p1和v1。测得的声压和加速度计信号经调理放大后输入由计算机控制下的动态信号分析系统采集，经处理可得到低频发射换能器2上的活塞振动辐射面的声压p0和振速v0，计算得到样品层的输入阻抗，最终得到被测样品的声压反射系数和吸声系数。
水层的输入阻抗可直接由测得的声压p0﹑振速v0计算：
已知水层的的声学特性参数水中声速cw、密度ρw和厚度Hw，输出阻抗可由下式计算得到：
式中kw——水中波数，kw＝2πf/cw，Z1也是被测样品层的输入阻抗，由此声压反射系数rp可由下式计算得到：
R＝|rp| (4)
其中，R为声压反射系数rp的幅值，吸声系数a由下式计算得到：
a＝(1-R)2 (5)
实施例2
一种水声材料样品吸声系数的低频管测量装置，包括竖直放置的低频管1，低频管1的下部安装有磁致伸缩稀土元件激励的活塞式振动模式的低频发射换能器2，低频管1的中部安装有与低频管1内壁密封配合的刚性背衬3，低频发射换能器2上的活塞与刚性背衬3之间的管段为充满水的测量段1003，被测样品4与刚性背衬3固接并位于测量段1003中，低频发射换能器2的活塞振动面上集成有第一加速度传感器201和第一压力传感器202，刚性背衬3上安装有第二加速度传感器301。
低频管1的管壁上设有与测量段1003连通的进水孔，进水孔连接有进水管5并通过进水管5与水源连接。
实施例3
与实施例1相同，不同的是被测样品4为圆柱体，被测样品4与低频管1内壁的间隙不大于1mm。
低频管1包括同轴设置的上管体11和下管体12，上管体11和下管体12之间通过开盖法兰103连接，还包括支架8，支架8安装在开盖法兰103上，刚性背衬3安装在支架上。
低频发射换能器2由上至下依次包括活塞203、稀土棒204和避震弹簧205，稀土棒203上安装有尾部质量206和头部质量207。
实施例4
与实施例1相同，不同的是低频管1的上端开口处安装有顶盖法兰101，低频管1的下端开口处安装有底盖法兰102，顶盖法兰101和刚性背衬3之间的管段为充气的上空腔1001，低频发射换能器2上的活塞203与底盖法兰102之间的管段为充气的下空腔1002，上空腔1001和下空腔1002均为可调节气压大小的高压气腔。
测量段1003即通过刚性背衬3和低频发射换能器2上的活塞203与低频管1管壁配合所形成的密封段。
顶盖法兰101和底盖法兰102上分别设有与上空腔1001和下空腔1002连通的气孔，气孔连接有进气管6，进气管6连接有压力控制系统并通过压力系统控制上空腔1001和下空腔1002的气压大小；顶盖法兰101和底盖法兰102上均设有供电缆通过的电缆孔，第一加速度传感器201和第一压力传感器202上连接的电缆7通过底盖法兰102上的电缆孔伸出，第二加速度传感器301上连接的电缆7通过顶盖法兰101上的电缆孔伸出。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种水声材料样品吸声系数的低频管测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
将被测样品（4）制成与低频管（1）内壁间隙配合的圆柱体；
2）打开低频管（1），将被测样品（4）放入并固定在管内，确保平整，闭合低频管（1）；
3）启动与低频管（1）连接的压力控制系统，开启抽真空设备使低频管（1）中形成负压，利用外部大气压将纯净水注入到低频管（1）内一定高度并形成测量段（1003），使被测样品（4）刚好没入测量段（1003）的水柱中；
4）开启测量系统，连接安装在低频发射换能器（2）的活塞振动面上的第一加速度传感器（201）和第一压力传感器（202），连接安装在被测样品（4）的刚性背衬（3）上的第二加速度传感器（301），运行计算机上的测量软件， 使低频发射换能器（2）的活塞（203）与被测样品（4）之间已经形成稳定的平面波声场；
5）通过安装在低频发射换能器（2）上的第一加速度传感器（201）和第一压力传感器（202）测得其活塞振动面的声压p 0和振速v 0，以及被测样品（4）上刚性背衬（3）的振速v 2，最终得到被测样品的吸声系数a；
6）调节不同静水压，重复步骤5）；
7）测量结束后，启动压力控制系统，打开泄压阀，释放低频管（1）中压力；
8）打开低频管（1），取出被测样品（4）。
2.根据权利要求1所述的一种水声材料样品吸声系数的低频管测量方法，其特征在于：步骤4）中的测量系统的软件控制流程如下：① 输入测量信息，包括刚性背衬（3）的厚度、密度和声速，水柱的高度、密度和声速，水温和水压；② 选定所需的测量频率点，包括起始频率、结束频率和频率间隔，V测量装置的测量频率范围为：100 Hz~4 kHz，采用等间隔或三分之一倍频程；③ 设置程控仪器的参数，包括信号源输出正弦信号幅值，根据功率放大器技术要求不大于1V；针对接收测量信号，调节功放输出阻抗和前置放大器的增益，在仪器不过载的条件下使接收到的测量信号具有大于20 dB的信噪比。
3.根据权利要求1所述的一种水声材料样品吸声系数的低频管测量方法，其特征在于：在步骤5）中一定的静水压条件下按设定频率点逐次测量低频发射换能器（2）的活塞振动面的声压p 0、振速v 0以及被测样品（4）上刚性背衬（3）的振速v 2，通过对信号进行快速傅里叶变换，得到幅值和相位；已知低频发射换能器（2）辐射面和被测样品（4）之间的水柱高度、声速和密度，根据测得的低频发射换能器（2）的活塞振动面的声压p 0、振速v 0，计算得到水柱和被测样品（4）界面的输入阻抗z 0，从而测得一定静水压范围内水声材料被测样品（4）的低频声压反射系数R和吸声系数a。
4.一种水声材料样品吸声系数的低频管测量装置，其特征在于：包括竖直放置的低频管（1），低频管（1）的下部安装有低频发射换能器（2），低频管（1）的中部安装有刚性背衬（3），低频发射换能器（2）与刚性背衬（3）之间的管段为充满水的测量段（1003），被测样品（4）与刚性背衬（3）固接并位于测量段（1003）中，低频发射换能器（2）的活塞振动面上集成有第一加速度传感器（201）和第一压力传感器（202），刚性背衬（3）上安装有第二加速度传感器（301）。
5.根据权利要求4所述的一种水声材料样品吸声系数的低频管测量装置，其特征在于：被测样品（4）为圆柱体，被测样品（4）与低频管（1）内壁的间隙不大于1mm。
6.根据权利要求4所述的一种水声材料样品吸声系数的低频管测量装置，其特征在于：低频管（1）包括同轴设置的上管体（11）和下管体（12），上管体（11）和下管体（12）之间通过开盖法兰（103）连接，开盖法兰（103）上安装有支架（8），刚性背衬（3）被安装在支架上（8）。
7.根据权利要求4所述的一种水声材料样品吸声系数的低频管测量装置，其特征在于：低频发射换能器（2）由上至下依次包括活塞（203）、稀土棒（204）和避震弹簧（205），稀土棒（204）上安装有尾部质量（206）和头部质量（207）。
8.根据权利要求4所述的一种水声材料样品吸声系数的低频管测量装置，其特征在于：低频管（1）的管壁上设有与测量段（1003）连通的进水孔，进水孔连接有进水管（5）并通过进水管（5）与水源连接。
9.根据权利要求4所述的一种水声材料样品吸声系数的低频管测量装置，其特征在于：低频管（1）的上端开口处安装有顶盖法兰（101），低频管（1）的下端开口处安装有底盖法兰（102），顶盖法兰（101）和刚性背衬（3）之间的管段为充气的上空腔（1001），低频发射换能器（2）上的活塞（203）与底盖法兰（102）之间的管段为充气的下空腔（1002），上空腔（1001）和下空腔（1002）均为高气压腔。
10.根据权利要求9所述的一种水声材料样品吸声系数的低频管测量装置，其特征在于：顶盖法兰（101）和底盖法兰（102）上分别设有与上空腔（1001）和下空腔（1002）连通的气孔，气孔连接有进气管（6）；顶盖法兰（101）和底盖法兰（102）上均设有供电缆通过的电缆孔，第一加速度传感器（201）和第一压力传感器（202）上连接的电缆（7）通过底盖法兰（102）上的电缆孔伸出，第二加速度传感器（301）上连接的电缆（7）通过顶盖法兰（101）上的电缆孔伸出。
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