CN102818850A - 一种大面积水声材料透声性能角谱的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大面积水声材料透声性能角谱的测量方法。本发明通过设计具有一定指向性，随频率起伏小的宽带换能器以及设计反滤波压缩脉冲信号，使试样最低测试频率降为常规方法的1/2.5；通过宽带测试技术的实现，大幅提高了工作效率，使测试时间缩短为常规方法的几分之一甚至几十分之一；通过合理地声场布置，选择合适的时间窗，实现对复杂构件透声角谱的测量。本发明有益的效果是：1）实现水声材料构件低频，透声性能的角谱测量。最大程度克服测试最低频率，测试角度，测试样品尺寸等几方面的矛盾；2）解决传统方法效率低下的问题，大幅提高工作效率；3）突破传统方法对简单试样的测试能力，实现对复杂构件透声性能的角谱测量。

Description

一种大面积水声材料透声性能角谱的测量方法

技术领域

本发明涉及计量测试领域，具体属于声学（水声）领域，主要是一种大面积水声材料透声性能角谱的测量方法。

背景技术

随着现代舰艇作战声学环境越来越复杂，对舰艇声纳水下声系统中的各类水声材料构件诸如透声窗、声障板和吸声尖劈等提出了更高的要求。一方面，水声材料构件的性能同声波入射角的关系非常密切和敏感，这也是目前声呐在某些波数方向性能急剧降低的主要原因。但长久以来人们一直关注并致力于提高水声材料构件垂直入射的声学性能，对声波斜入射时声性能的评价和测量缺乏有效的手段。另一方面，随着探潜声纳工作频率的不断降低，为适应现代声呐设计的需求，相应的水声材料构件应用和测试方法也应向着更低频率发展。

依据1993年制订的国家标准GB14369-1993《声学水声材料样品插入损失和回声降低的测量方法》，传统对大面积试件非垂直入射透声测量的方式为：在开阔水域（或消声水池）内，将试样和水听器置于发射换能器的远场，通过旋转试样，获取各个频率点各个入射角度的衰减量，从而计算插入损失（透声）的角谱。

应用传统的方法，在实际试样测试过程中，基于避免试样边缘衍射的影响，对测试最低频率，测试角度，测试样品尺寸等几方面都提出了要求。测试要求在试样在垂直声轴面上的最短投影长度必须大于等于测试波长的5倍。那么对于1m×1m的试样，垂直入射测试时，能够准确测试的最低频率为7.5kHz；随着试样的旋转，测试入射角度的减小，试样的投影尺寸不断减小，则测试的频率低限不断地提高，如声波60°入射试样时，有效投影尺度为0.866m，那么准确测量的最低频率为8.66kHz。要进行低频大角度的测试，则对试样尺度要求是惊人的。

此外，应用传统方法，采用单频脉冲技术，需在无试样情况下完成所有待测频点直达信号的采集，再放入试样，调整样品角度，在指定角度，重新发射单频信号，一个频率一个频率地进行采集，再旋转角度，重复单频测试。如果待测频点多，待测角度多，则测试过程费时费力，效率非常低下。

再者，申请人在实际工作中发现，对于钢板，铝板等密度均匀，结构单一的标准试样，透射测试时，水听器宜放置于试样背后紧挨试样位置。但多数水声材料都有着复杂结构，由不同基材按比例复合而成，存在着空腔与基底等不同结构，有着不同结构排布，甚至还有复杂的支撑框架结构，所以对于绝大部分水声材料构件，结构的复杂性必然带来透射声场的复杂性，对水下各部件的布放提出了更为苛刻的要求。同时，准确地测量试样的声学性能还需合理地选择分析时间窗。

发明内容

本发明通过宽带换能器等硬件配置，提供了一种大面积水声材料透声性能角谱的测量方法，设计合适的宽带信号，合理地布置声场及选择时间窗，很好地解决了上述问题，该发明未见文献报道。

该发明所要解决的技术问题包括：

1）实现水声材料构件低频，透声性能的角谱测量。最大程度克服测试最低频率，测试角度，测试样品尺寸等几方面的矛盾。

2）解决传统方法效率低下的问题，大幅提高工作效率。

3）突破传统方法对简单试样的测试能力，实现对复杂构件透声性能的角谱测量。

本发明所述的这种大面积水声材料透声性能角谱的测量方法，先测量未放入样品时，水听器接收的时域信号为参考信号p_i(t)；在水听器和发射换能器之间放入样品后，调整声入射角度θ，采集水听器信号为透射信号p_t(θ，t)；根据公式（1）计算试样θ角度入射时样品透射系数T(θ，f)，电动控制旋转样品调整入射角度，直至测完全部入射角度透射系数，获得样品的透声性能的角谱分布；

$T(\mathrm{\θ},f)=\frac{\mathrm{DFT}\left(p_t(\mathrm{\θ},t)\right)}{\mathrm{DFT}\left(p_i\left(t\right)\right)}---\left(1\right)$

设计一种反滤波压缩脉冲信号，通过设计合适的反滤波器因子a(t)，使得δ(t)函数经反滤波处理，通过测量系统，传递函数为h(t)，最终获得近似δ(t)的信号，原理公式为则，反滤波因子a(t)为传递函数h(t)的反卷积：a(t)=h(t)^*-1；通过测试系统的传递函数，计算获得反滤波因子，反滤波因子a(t)即作为发射信号的反滤波压缩脉冲信号。

总之，通过本发明的应用，可达到的有益效果有：

1）宽带换能器和反滤波压缩脉冲，有效降低了测试频率，试样在垂直声轴面上的最短投影长度达到测试波长的2倍，即可有效测量。

2）宽带测试技术极大地提高了测试效率。

3）解决复杂内部结构材料透声性能角谱测试问题。

附图说明

附图1：水声材料透声性能角谱测量系统示意图。测试系统分水上电子仪器设备、水下声学部件及升降旋转杆。水下声学部件包括：发射换能器、待测样品及水听器，通过升降旋转装置定位于消声水池水深中部。利用升降杆的旋转功能，实现待测样品声波入射角度的调整。通过设计合适的宽带信号，由计算机控制信号发生器发射信号，经功率放大器放大驱动发射换能器发射声信号；水听器接收到信号后，经由前置放大器、滤波器，由数字示波器采集信号；计算机对采集的信号进行分析、处理，最后得出测量结果。

附图2：反滤波压缩理论模型。输入的δ(t)函数经反滤波处理，经测量系统（传递函数为h(t)），最终输出近似δ(t)信号。

附图3：2μs方波脉冲信号反滤波压缩前的时域输出波形及频谱；

附图4：2μs方波脉冲信号反滤波压缩后的时域输出波形及频谱。反滤波压缩后比压缩前输出信号时间域上有了大幅压缩，信号持续时间较短。频域方面，信号压缩处理前-6dB带宽很窄，能量集中在谐振频率点附近，而经压缩处理后，-6dB带宽达到4kHz~40kHz。

附图5：发射阵指向性图测量结果。发射阵具有一定的指向性、旁瓣小。

附图6：发射阵发送电压响应测量结果。发射阵的发送电压响应曲线具有双峰结构，频段宽，随频率的起伏变化小。

附图7：典型的透声窗试验试样结构。样品由双层钛合金平板构成，前层平板尺寸为1500mm×1260mm×40mm，背面配置结构框架及螺栓，后层钛合金平板由9块500mm×420mm×40mm小平板组成，用螺栓固定到结构框架上，通过调整螺栓可以调整两块平板的间距。

附图8：试样透声声场中各信号来源示意图。其中①为[样品一次透射信号]，②为[样品内框架衍射信号]，③为[样品二次透射信号]，④为[样品边缘衍射信号]，⑤为[水面、池底反射信号]，⑥为[池壁反射信号]。

附图9：附图7所示试样透射声场时域波形信号示意图。①、②、③、④、⑤、⑥及相应箭头表示[样品一次透射信号]、[样品内框架衍射信号]、[样品二次透射信号]、[样品边缘衍射信号]、[水面、池底反射信号]、[池壁反射信号]的初始时延。时间窗选择[样品边缘衍射信号]前信号，选择A、B段信号。

附图10：试样透射角谱测量流程图。样品挂于水面，经信号反滤波压缩处理，测量直达信号后，将样品吊到水深中部，调整样品到指定的测量角度，测量透射信号，进行指定角度透射性能计算，再调整测量角度，测量，计算，直至完成所有指定角度的测量与计算工作。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步说明：

本发明为一种大面积水声材料透声性能角谱的测量方法。测试工作建议在满足自由场条件或等效自由场条件的水域中进行，如实验室消声水池、开阔水域等，以下以消声水池为例。测试系统（见附图1）分水上电子仪器设备、水下声学部件及升降旋转杆。

本发明的测量原理与经典大样透射系数测量原理相似：先测量未放入样品时，水听器接收的时域信号为参考信号p_i(t)；在水听器和发射器之间放入样品后，调整声入射角度θ，采集水听器信号为透射信号p_t(θ，t)；根据公式（1）计算试样θ角度入射时样品透射系数T(θ，f)，电动控制旋转样品调整入射角度，直至测完全部入射角度透射系数，获得样品的透声性能的角谱分布。

$T(\mathrm{\θ},f)=\frac{\mathrm{DFT}\left(p_t(\mathrm{\θ},t)\right)}{\mathrm{DFT}\left(p_i\left(t\right)\right)}---\left(1\right)$

本发明通过发射信号的设计和发射换能器的研制，解决了样品透声性能角谱低频测试和提高工作效率的技术难点。

本发明所述发射信号为反滤波压缩脉冲信号，其理论模型见附图2。希望设计合适的反滤波器因子a(t)，使得δ(t)函数经反滤波处理，通过测量系统（传递函数为h(t)），最终获得近似δ(t)的信号，理论上水听器接收端接收到的声信号频谱约等于1，在时域上表现为很窄的尖脉冲信号。原理公式见公式（2）：

$\mathrm{\δ}\left(t\right)*a\left(t\right)*h\left(t\right)=\widehat{\mathrm{\δ}}\left(t\right)---\left(2\right)$

那么，反滤波因子a(t)为传递函数h(t)的反卷积：

a(t)=h(t)^*-1（3）

通过测试系统的传递函数，计算获得反滤波因子；反滤波因子a(t)即方案中作为发射信号的反滤波压缩脉冲信号。

以2μs方波脉冲作为实例，对比经反滤波压缩前后水听器接收信号的时域和频域（频率分辨率0.5kHz）结果，见附图3~附图4：

（1）反滤波压缩后比压缩前输出信号时间域上有了大幅压缩，信号持续时间较短。在透声性能角谱测量中，有利于将水听器接收的样品透射信号与样品的边缘衍射干扰信号区分开来，从而降低测量频率；

（2）频域方面，信号压缩处理前-6dB带宽很窄，能量集中在谐振频率点附近，而经压缩处理后，-6dB带宽达到4kHz~40kHz。这意味着利用反滤波压缩信号，可以通过一次吊放测量，实现4kHz~40kHz宽带测量，大大提高工作效率。

本发明所述发射换能器为大面积圆形平面基阵，换能器基元设计为谐振频率为8kHz左右的纵向振动换能器，可在f＝2kHz~20kHz频段内使用。阵上共布有29只换能器，发射阵有效工作面直径约为Φ660mm，外径约为Φ670mm，总重量约125kg。

通过实际测量，发射阵的指向性主要参数曲线见附图5，主要技术特征如下：

1）测量频率为2kHz时，波束宽度为59.6°，旁瓣小于-30dB；

2）测量频率为7.5kHz时，波束宽度为16.1°，旁瓣15.5％，-16.2dB；

3）测量频率为20kHz时，波束宽度为5.8°，旁瓣15.8％,-16.0dB。

发射换能器阵的发送电压响应测量结果如附图6所示，响应曲线具有双峰结构，-6dB带宽达到了近14kHz。

实际测量结果显示：

（1）发射阵具有一定的指向性、旁瓣小。在透声性能角谱测试中，能够使入射声波集中入射到试样板边缘之内，试样中央的入射波声压高于边缘的入射波声压，以减少测量样品边缘衍射的干扰，大大降低测量频率；

（2）发射阵的发送电压响应频段宽，随频率的起伏变化小，便于反滤波压缩技术的应用。

通过本发明反滤波压缩信号和宽频带指向性发射器阵的应用，实验结果显示：大样透声性能角谱测量中，满足试样在垂直声轴面上的最短投影长度大于等于测试波长2倍的要求，即能准确测量。即对于1m×1m的试样，垂直入射测试时，能够准确测试的最低频率为3kHz；声波60°入射试样时，有效投影尺度为0.866m，准确测量的最低频率可以低到3.46kHz。相比于传统方法，大幅降低了最低测量频率。

本发明通过合理地布放水听器位置，选择合理的时间窗，解决复杂结构样品透声性能测量。

声波透过样品，对于不同材料，不同结构，不同尺寸的试样，其背面形成的透射声场分布也各不相同。此时的声场，可看成透过样品，由样品上的许多的面元发出的声波互相叠加、干涉的结果，形成具有极大、极小的周期性起伏的声场。声学测试应在声场远场进行。多次试验证明，试样透声声场的远场和近场的过渡位置是与被测试样的最小重复结构周期和测量波长有关的：最小重复周期的最大尺度越大，测量波长越小，则远场位置越远。

对于钢板，铝板等密度均匀，结构单一的试样，其最小重复结构周期的最大尺度为分子级，所以，在宏观尺度上来讲，此类试样并不存在透射声场近场区域，透射声场的轴向声压随距离的变化呈反比例曲线。因此，日常测试时，多将接收水听器布置于尽量靠近试样位置，以最大程度避免试样边缘衍射。

而对于复杂结构试样，则需通过在声轴线上测量轴向声压与距离的变化曲线，确定远场位置。如附图7所示为一典型透声窗试验样品，样品由双层钛合金平板构成，前层平板尺寸为1500mm×1260mm×40mm，背面配置结构框架及螺栓，后层钛合金平板由9块500mm×420mm×40mm小平板组成，用螺栓固定到结构框架上，通过调整螺栓可以调整两块平板的间距。结构框架和螺栓的引入使透声窗的透射声场变得复杂，存在结构近场区域。实验确定20kHz时样品的结构远场位于距样品1m处。利用反滤波压缩脉冲信号进行低于30kHz宽带测试时，须将水听器布置在声轴线上样品背面1m处。

复杂结构的样品透声场的信号来源也繁多，需要具体问题具体分析，合理地选取有用的信号，摒弃干扰信号，才能获取准确的测量结果。还是以附图7所示的试样为例，附图8为该试样透声声场中各信号来源示意图。各信号时域到达的先后顺序是①[样品一次透射信号]、②[样品内框架衍射信号]、③[样品二次透射信号]、④[样品边缘衍射信号]、⑤[水面、池底反射信号]、⑥[池壁反射信号]。设定测试条件：发射器与样品间距L=1.75m，双层板间水层厚度5cm，样品与水听器间距d＝1m，声轴线距水面和池底都为2m，发射器与水听器距离中心至池壁距离2.75m，那么[样品一次透射信号]、[样品内框架衍射信号]、[样品二次透射信号]、[样品边缘衍射信号]、[水面、池底反射信号]、[池壁反射信号]到达时间分别为：1.867ms，1.890ms，1.933ms，2.061ms，3.255ms，3.667ms。时域波形信号示意图见附图9，不同信号的初始时延分布用相应的数字箭头表示。显然，透声声场信号中①[样品一次透射信号]、②[样品内框架衍射信号]、③[样品二次透射信号]为有用信号，④[样品边缘衍射信号]、⑤[水面、池底反射信号]、⑥[池壁反射信号]为干扰信号，声场的合理布置能使有用信号和干扰信号有效分离开来。此例中，时间窗的选取也变得明朗，选择附图9所示，A、B之间的时间窗即可。

本发明所述的大面积水声材料的透声性能角谱测量方法的具体实施过程如下：

1）选择满足自由场条件或等效自由场条件的水域，具有两套升降旋转装置，升降精度达到1mm，旋转精度达到0.1°。

2）选择测量频段用的发射换能器和接收水听器。发射换能器要求有较尖锐的指向性﹑旁瓣小，同时希望换能器的发射电压响应频带尽量宽，随频率的起伏变化小；在保证测量信噪比的情况下选择小尺寸水听器，接收灵敏度在测量频段内应尽量高而平坦。

3）利用一套升降旋转装置吊挂发射换能器，通过升降调整，使发射换能器辐射声中心位于水域深度中心，通过旋转调整，使发射换能器辐射面正对入射水听器；水听器吊挂采用软连接加重块的方式，调整深度至水域深度中心。

4）待测样品吊放：用另一套升降旋转装置吊挂待测样品，调整升降使声轴线通过样品几何中心；定义垂直入射（声轴垂直于待测样品面）为90度入射，通过旋转装置旋转待测试样，控制声波入射角度。

5）各水下部件吊放距离：发射换能器与被测试样的距离达到换能器的发射远场，被测试样和水听器的距离达到被测试样的结构远场。

6）试样角谱测量流程图见附图10。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种大面积水声材料透声性能角谱的测量方法，其特征在于：先测量未放入样品时，水听器接收的时域信号为参考信号p_i(t)；在水听器和发射换能器之间放入样品后，调整声入射角度θ，采集水听器信号为透射信号p_t(θ，t)；根据公式（1）计算试样θ角度入射时样品透射系数T(θ，f)，电动控制旋转样品调整入射角度，直至测完全部入射角度透射系数，获得样品的透声性能的角谱分布；

$T(\mathrm{\θ},f)=\frac{\mathrm{DFT}\left(p_t(\mathrm{\θ},t)\right)}{\mathrm{DFT}\left(p_i\left(t\right)\right)}---\left(1\right)$

设计一种反滤波压缩脉冲信号，通过设计合适的反滤波器因子a(t)，使得δ(t)函数经反滤波处理，通过测量系统，传递函数为h(t)，最终获得近似δ(t)的信号，原理公式为

则，反滤波因子a(t)为传递函数h(t)的反卷积：a(t)=h(t)^*-1；通过测试系统的传递函数，计算获得反滤波因子，反滤波因子a(t)即作为发射信号的反滤波压缩脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的大面积水声材料透声性能角谱的测量方法，其特征在于：所述的发射换能器为大面积圆形平面基阵，换能器基元设计为谐振频率为8kHz的纵向振动换能器，能够在f＝2kHz~20kHz频段内使用，阵上共布有29只换能器，发射阵有效工作面直径为Φ660mm，外径为Φ670mm，总重量125kg，在透声性能角谱测试中，能够使入射声波集中入射到样品边缘之内，试样中央的入射波声压高于边缘的入射波声压。

3.根据权利要求1所述的大面积水声材料透声性能角谱的测量方法，其特征在于：设计针对复杂结构样品透声角谱测量的声场布置，把声场看成透过样品，由样品上的许多的面元发出的声波互相叠加、干涉的结果，形成具有极大、极小的周期性起伏的声场。

4.根据权利要求1所述的大面积水声材料透声性能角谱的测量方法，其特征在于：声学测试选择在声场远场进行，样品透声声场的远场和近场的过渡位置是与被测样品的最小重复结构周期和测量波长有关的：最小重复周期的最大尺度越大，测量波长越小，则远场位置越远；对于复杂结构样品，通过在声轴线上测量轴向声压与距离的变化曲线，确定远场位置。

5.根据权利要求1所述的大面积水声材料透声性能角谱的测量方法，其特征在于：设计水下声场布置时，需要确定各水下信号来源，通过各部件的合理布置，在时域上将干扰信号与有用信号隔离开来，时间窗选取时剔除干扰信号。

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