水下声强测量技术在近场测量中的应用研究

　　水下声强测量技术是研究水下结构体声辐射特性和鉴别其噪声源的主要方法之一.其实现方法是根据双水听器声压互谱法理论[1,3],对水下结构体进行近场噪声测量.哈尔滨工程大学在“九五”研究课题的基础上,以水下大模型声学综合试验研究为背景,研制出了水下声强声全息测量系统(声全息法也是一种对噪声源识别和定位的方法,在此不作介绍).利用这一系统完成了对水下大模型(以下简称为模型)声学综合试验的测试工作,并对测量的声信号进行了声压谱密度分析、声强分布以及辐射声功率的计算,并分析了该模型的主要噪声发生部位,从而证实了水下声强近场测量技术应用的优越性和该套测量系统应用的可行性.

　　1 声强测量的基本原理和试验方法

　　1.1 基本原理

　　声场中某点瞬时声强[2]定义为

　　式中:p(t)为声场中某一点的瞬时声压,u(t)为同一点的质点振动速度矢量.从式(1)中可知要想获得声场中某点的声强值必须同时测量声场中某点的声压和质点振速.声场中某点的声压值容易测得,但直接测量流体的质点振速是较困难的,而采用双水听器测量技术就可以很好地解决这一问题.

　　目前用双水听器测量声强的基本原理主要有时域积分法测量和频域上声压互谱法测量两种方法.本文提到的声强测量系统就是根据双水听器的声压互谱法进行声强测量的,即通过计算双水听器输出的声压信号互谱的虚部,求出单点声强的谱密度函数.即

　　式中:SAB(f)为声场中A,B两点声压PA和PB的单边互功率谱,Im[.]表示取虚部,ρ为介质密度,Δr为双水听器间距.

　　由式(2)可知,Ir(f)的值可以是正值,也可以是负值.正值表示声能流由声源向外辐射,负值表示声能流方向由外面指向声源,也就是说正声强表示了声场中的有功声强,而负声强表示了外界的干扰.

　　由式(2)对频率积分,还可以得到声场中某一点在(f1,f2)频带内的总声强Ir值,即

　　上述公式(2)和(3)就是双水听器法测量声强的互谱关系式.

　　通过声强对面积的积分可以估算出声源辐射声功率,它反映的是声场中有用功部分.即

　　在实际测量中,将包围声源的封闭面S适当地分割成N个元面积[4]$Si(i =1,2,3,4,,,N),通过每一个小元面的声强矢量(即法向声强垂直于小元面),由式(5)可得声源辐射声功率P:

　　式中:Ini为第i块元面积上的法向声强值.

　　1.2 测量系统及试验

　　1.2.1 测量系统的组成

　　测量系统共由两部分组成:第1部分是水下自动扫描控制系统,由智能I.O.P电控系统、计算机控制系统和装有33路声强探头可进行弧形扫描的声强基阵架组成;第2部分是40通道数据采集与分析系统.系统组成方框图见图1.