一种水声材料去耦特性参数的驻波管测量方法与流程

1.本发明涉及计量测试技术领域，具体涉及一种水声材料去耦特性参数的驻波管测量方法。


背景技术：

2.实现舰艇声隐身的主要目的是减少敌方主动声纳的探测声波的反射，降低本艇的目标强度；降低本艇的辐射噪声级，减少被敌方被动声纳监听侦察到的概率。在舰艇壳体粘贴消声瓦是一种有效的声隐身手段。据国外报道，消声瓦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。
3.另外，随着水声对抗技术的发展，进一步推动了潜艇舷侧阵等新型舰壳声呐技术的研究，舰壳声纳安装于潜艇舰壳平台，声纳的自噪声主要来源于潜艇平台和设备的结构振动，降低声纳自噪声，是提高声纳探测距离，提高探测精度的首要条件。如舷侧阵声纳水听器模块及安装平台对隔振有严格的要求，如果没有隔振措施或隔振性能不好，艇壳振动就会对接收阵的性能产生严重影响，整部声纳的技术指标就会大打折扣，某型舷侧阵声纳基阵应用了空气/橡胶障板，内部具有去耦模块。
4.综上所述，研究声纳基阵声障板、水听器模块及其安装构件的去耦隔振性能是非常重要的。但过去我们在这方面的研究不够深入。因为水声材料的声学和力学性能对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，其重要性愈加突出。在100hz以上频段测量水声材料或构件样品的声学性能在自由场中测试几乎是不可能的。因为水中的波长比材料试样大得多，样品的边缘衍射和绕射严重干扰测量。低频段的水声材料测试一般采用驻波管和行波管设施，它们的最低工作频率理论上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，但不能模拟“海水
‑
瓦
‑
金属壳体
‑
空气”这样的分层情况。国内对于多功能瓦或隔声去耦瓦在潜艇壳体上应用的情况下，去耦特性参数的测量国内研究还比较少，更没有成熟的测量方法。由于型号项目的需求牵引，有必要建立氮气加压的低频驻波声管，模拟“海水
‑
瓦
‑
金属壳体
‑
空气”分层情况，测量样品在气背衬下的去耦特性参数。
5.为了能快速、正确地测定隔声去耦瓦的各种性能，在水声声管内进行了各种测试方法的研究。水声声管内的声场是理想的平面渡声场，所需要的样品小，边界条件简单，易于与理论计算结果进行对比，非常适合作为研究过程的实验手段通过测量声场或声源声功率来计算出它的辐射声压。我们可以把声辐射测试的条件简单归结为两点：一是无反射，二是平面波。这两点在水声声管中是很容易实施的。在声管波导中，被测样品应具有平面振动面，其受激振动产生的辐射声波，在声管中以平面波形式传播。见附图3，若声管末端装有性能优良的吸声尖劈，就能做到无反射。利用双水听器法可把入射和反射的两列波分离开来。被测样品安装在声管顶端.用激振器激励样品，样品受激振动，并向声管中辐射声波，利用
力传感器和水听器分别测量样品表面的受力和声管中的声场。激振器对水声声管中的样品进行激励时，控制激励频率低于声管的截止频率，让声管中仅仅出现平面波。试件贴在相同厚度的钢背衬上，分别测量样品在不同频率激励下声辐射声压的大小，相对于激振力做归一化处理，得出样品在相同激振力作用下的声辐射强度值，即阻尼结构的力
‑
声传递特性。但是由于在千赫兹以下频段尖劈不能完全吸声，所以这种方法存在较高的低频限。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种水声材料去耦特性参数的驻波管测量方法，为了解决现有技术中在应用环境条件下低频段测量困难的问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
8.一种水声材料去耦特性参数的驻波管测量方法，包括如下步骤：
9.步骤1，将待测水声去耦材料制成直径符合驻波管内径的被测样品；
10.步骤2，打开驻波管，将被测样品放入驻波管内中央支架上，确保平整；启动机械控制系统，闭合驻波管；启动压力控制系统，开启抽真空设备使驻波管中形成负压，利用外部大气压将纯净水注入到驻波管内预订高度，并加压到需测量的压力点；
11.步骤3，开启测量装置的电子仪器和软件，根据测量需要，选定所需的测量频率点，在测量软件界面上设置激励器信号源输出幅值，调节功放增益和阻抗，在激励器活塞面与被测样品之间形成驻波场；
12.步骤4，设被测样品是一个二端线性系统，则有：
[0013][0014]
其中，1和2分别表示被测样品表面的前面和后面，4个阻抗分量能够表征被测样品的特性，允许计算出任何响应函数；
[0015]
设水层和去耦层的阻抗矩阵为z：
[0016][0017]
其中，终端的边界条件为p2＝z
h
·
v2，测得p0，v0和v2，求得z：
[0018]
z＝z0·
z1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0019]
z0为水层的转移阻抗，对于等效均匀层，有
[0020]
z
11
＝z
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0021]
z
11
·
z
22
‑
z
12
·
z
21
＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0022]
式(2)写成：
[0023]
p0＝z
11
p2 z
12
v2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0024]
v0＝z
21
p2 z
22
v2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0025]
由式(6)得到：
[0026][0027]
p2＝z
h
·
v2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0028]
由式(8)和(9)导出：
[0029][0030]
由式(7)和(9)导出：
[0031][0032]
由式(4)、(5)(10)和(11)导出：
[0033][0034][0035][0036]
由式(3)得到：
[0037]
z1＝z0·
z
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0038]
设：
[0039][0040]
去耦系数：
[0041][0042]
步骤5，如需要，调节不同静水压，重复步骤4；
[0043]
步骤6，测量结束后，启动压力控制系统，打开泄压阀，释放驻波管中压力；启动机械控制系统，打开驻波管，取出被测样品。
[0044]
相对于现有技术，本发明所述的一种水声材料去耦特性参数的驻波管测量方法具有以下显著的优越效果：
[0045]
1，本发明提供了一种水声材料去耦特性参数的驻波管测量方法，本方法在低频驻波管中实现水声材料去耦特性参数的测量，通过低频驻波管的独特计、低频激励声源和传感器的集成、电子仪器配置建立了样品去耦特性参数测量系统，提出了100hz～1000hz频率范围水声材料去耦特性参数的测量方法，编制自动测量软件，很好地解决了在应用环境条件下低频段测量困难的问题。
附图说明
[0046]
图1为驻波管测量装置示意图；
[0047]
图2为去耦系数测量的平面波模型示意图；
[0048]
图3为水声材料样品力
‑
声传递特性声管测量系统示意图。
具体实施方式
[0049]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0050]
本发明实施例中提供了一种水声材料去耦特性参数的驻波管测量方法，包括如下步骤：
[0051]
步骤1，将待测水声去耦材料制成直径符合驻波管内径的被测样品；
[0052]
步骤2，打开驻波管，将被测样品放入驻波管内中央支架上，确保平整；启动机械控制系统，闭合驻波管；启动压力控制系统，开启抽真空设备使驻波管中形成负压，利用外部大气压将纯净水注入到驻波管内预订高度，并加压到需测量的压力点；
[0053]
步骤3，开启测量装置的电子仪器和软件，根据测量需要，选定所需的测量频率点，在测量软件界面上设置激励器信号源输出幅值，调节功放增益和阻抗，在激励器活塞面与被测样品之间形成驻波场；
[0054]
步骤4，设被测样品是一个二端线性系统，则有：
[0055][0056]
其中，1和2分别表示被测样品表面的前面和后面，4个阻抗分量能够表征被测样品的特性，允许计算出任何响应函数；
[0057]
设水层和去耦层的阻抗矩阵为z：
[0058][0059]
其中，终端的边界条件为p2＝z
h
·
v2，测得p0，v0和v2，求得z：
[0060]
z＝z0·
z1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0061]
z0为水层的转移阻抗，对于等效均匀层，有
[0062]
z
11
＝z
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0063]
z
11
·
z
22
‑
z
12
·
z
21
＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0064]
式(2)写成：
[0065]
p0＝z
11
p2 z
12
v2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0066]
v0＝z
21
p2 z
22
v2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0067]
由式(6)得到：
[0068][0069]
p2＝z
h
·
v2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0070]
由式(8)和(9)导出：
[0071][0072]
由式(7)和(9)导出：
[0073][0074]
由式(4)、(5)(10)和(11)导出：
[0075][0076][0077][0078]
由式(3)得到：
[0079]
z1＝z0·
z
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0080]
设：
[0081][0082]
去耦系数：
[0083][0084]
步骤5，如需要，调节不同静水压，重复步骤4；
[0085]
步骤6，测量结束后，启动压力控制系统，打开泄压阀，释放驻波管中压力；启动机械控制系统，打开驻波管，取出被测样品。
[0086]
具体地，声管中的样品粘贴在背衬上，管中介质具有多层结构形式，由被测样品及其前表面水层、后表面背衬层组成的平面波模型如附图2所示。水层高度为h
w
，水中声速和密度分别为ρ
w
、c
w
，水层在活塞面上的声压和振速分别为p0和v0；材料样品层高度为h
l
，材料中声速和密度分别为ρ
l
、c
l
，样品层在水面上的声压和振速分别为p1和v1；背衬层高度为h
m
，层中声速和密度分别为ρ
m
、c
m
，背衬层上的声压和振速分别为p2和v2。激励器振动经水介质耦合到样品上，测得的声压和加速度传感器信号经调理放大后被由计算机控制下的动态信号分析系统采集，经处理可得到活塞面的声压p0、振速v0和刚性背衬面的振速v2，进一步可得到层状样品的传递矩阵阵元，最终得到被测样品的去耦系数b
v
＝v2/v1。
[0087]
将本专利应用水声材料声振特性参数驻波管测量装置(见附图1)，能够实现在隔声去耦瓦等水声材料样品在实际使用静水压条件下去耦系数的测量，是一种全新的水声材料测量方法和应用，未见国内外期刊文献的报道。该方法相比于传统的脉冲声管中测量方法，解决了在应用环境条件下低频段测量困难的问题。
[0088]
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0089]
当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。