水声材料低频声性能的驻波管测量

　　1 引言

　　水声材料和构件的声学性能测量一般可以应用脉冲声管和自由场水域(包括消声水池),但是由于脉冲声管长度的限制和样品尺寸的有限,这两种方法的测量频率都在几千赫兹以上[1]。在空气声学中声学材料的测量一般在驻波管中应用驻波比测量技术,因这种方法工作效率较低,后来Chung和Blaser发展了双传感器传递函数法,可实现自动宽带测量[2]。Corbett首次将空气声学中的驻波管传递函数法引入到水声材料的测量中,为降低在一定静水压下水声材料样品的声性能的测量频率奠定了基础[3]。国内也有学者在传统水声驻波管基础上进行了双水听器传递函数法及误差分析研究[4]。脉冲声管是测量水声材料性能的常用设备,其测试系统原理简单、性能稳定、数据可靠。通过全面改造,使其测量频率降到了1 kHz,这几乎是我国现有脉冲声管测量装置中最低的测量频率[5]。但随着声呐技术和水声对抗技术的发展,工作频率逐渐向低频扩展,如舷侧阵声呐的主要工作频段在几百赫兹,水声材料和构件的工作频率也跟着向低频扩展,所以必须发展对应的水声材料低频测量系统。文中研究开发了低于1 kHz的驻波管传递函数法测试系统,在测量频率上和现有的脉冲声管相衔接。

　　2 基本方法原理

　　驻波管传递函数法测试系统中,间隔一定距离的两个水听器被安装在声管中,样品安装在管口,坐标如图1所示,x=0为被测样品和水的界面。

　　水听器1和2到样品的距离分别为d1和d2,它们的间距为d12,pi为入射声压,pr为样品的反射声压,r为样品的复反射系数。令:

　　所以,水听器1位置的声压为:

　　水听器2位置声压为:

　　其中,ω=2πf,f为声波频率,k=ωPc,c为管中声速。对于单频测量情况,式(2)除以式(1),于是得到双水听器输出的传递函数(假设两水听器接收灵敏度相幅完全一致):

　　上式中,由此可计算得到样品的复反射系数。

　　将复反射系数r的实部和虚部分离,得到下式:

　　因此,样品反射系数模和相位的计算公式分别为:

　　标准反射体背衬下样品的吸声系数为:

　　3 测量系统

　　根据上述双水听器传递函数法测量的基本原理,只要测得每路水听器接收通道的电压幅度和它们的相位差,就可由式(3)~式(6)计算得到样品的复反射系数。测量系统框图如图2所示:双水听器被安装在声管壁上,其相幅灵敏度具有很好的一致性(见表1),接收信号输入到带前置放大器的双通道滤波器中,输入通道具有2选1功能,输出通道的电压幅度由数字示波器读出,相位由相位计读出。发射子系统由信号发生器、功放和发射器组成。除功放外所有仪器都由计算机程控。为了在低频管中的声场有足够的信噪比,还研制了专用的、具有较好低频性能的纵向换能器和功率放大器。