水声材料声性能自由场测量技术研究

    1 引言

    在声学测量中大面积材料样品一般能够反映材料本身特征或结构对其声学性能的影响。理想的大面积水声材料要求其横向尺寸远大于声波波长,就如被测材料样品是无限大一样。然而在实际的自由场测量中大面积材料是尺寸有限的,所以测量经常会受到样品板边缘声衍射的干扰。为此,在应用传统的方法测量时为减少这种干扰必须将样品做得很大,如要准确测量反射系数,样品至少为波长的5倍[1],这就决定了测量的低频限。表征给定厚度的材料及其构件功能特性的参数主要有反射系数、透射系数、吸声系数等。在水声工程中还必须经常知道这些参数随频率、静水压、水温及声波入射角的变化规律,以便能将材料正确地应用于换能器及基阵、导流罩、消声层等方面的研究与设计之中[2]。

    为解决大面积水声材料性能测量中的各种问题,我们在/八#五0期间进行了多项研究,例如:应用宽带参量阵声源技术的测量方法研究,它可以在消声水槽中测量在声波不同入射角时尺寸500mm@500mm左右的材料反射系数、透射系数和横波声速,频率范围在10~100kHz[3,4];利用耐压5MPa的钛合金压力罐和特别设计的PVDF薄膜水听器、平板型换能器建立了一套在静水压0.1~3MPa下准确测量材料在声波垂直入射时的反射系数、透射系数等声参数的自动测量装置,样品尺寸为300mm@300mm,它的工作频率也在10~100kHz[5]。虽然上述研究成果已解决了材料样品在声波斜入射时和高静水压时的声性能测量问题,但为适应声纳技术的发展还须降低测量的低频限。最近,USRD的J.C.Piquette总结了一些新方法[6],如应用瞬态压缩来降低测量的低频限,但它不能应用通用的功率放大器,对不同的换能器还必须要求有针对性的设计,且电声效率较低。

    本文提出一种可以称之为/宽带脉冲叠加法0的测量技术。采用宽带平面换能器基阵、宽带窄脉冲信号和现代信号处理技术,可以在小型消声水池中实施对尺寸为1000mm@1000mm左右的大面积水声材料的反射系数(回声降低)、透射系数(插入损失)等声学性能参数的测量,测量的低频限从传统方法的10kHz降低到了目前的2.5kHz。此外,文中还给出了对标准材料样品铝板的测量结果,并与理论计算值进行了比较分析。

    2 测量方法

    2.1 基本原理

    在大面积水声材料测量中,首先应该建立平面波声场。自由场水池中发射换能器辐射声场的远场可看成近似的平面波声场,所以必须将被测材料样品安置在离发射换能器足够远的声场中;其次,测量结果必须正确反映材料本身的声学特性,就好象被测材料样品是无限大一样,故测量中要尽量减少样品边缘衍射的干扰。为了同时能满足上述两项基本要求,我们采用宽带平面换能器基阵作为发射器,如图1所示。它在测量频率范围内的辐射远场形成一定的方向性且旁瓣级低,可减少样品边缘的衍射和水面的反射。图2为频率为10kHz时的辐射声场伪彩图,其中Z轴为声轴方向,X轴为水平横方向。