一種參量陣驅(qū)鳥設(shè)備的聲學(xué)測試及評(píng)價(jià)研究

萬宇鵬 隆博 楊春節(jié) 桂桂 王曉龍

摘要：民用航空的安全保障和民用機(jī)場的安全管理是國家高度重視的工作，為保障航空安全的需求，對(duì)民用機(jī)場鳥擊的防范工作也提出更高的要求。面對(duì)此問題，中國測試技術(shù)研究院聲學(xué)研究所針對(duì)不同類型的聲波驅(qū)鳥產(chǎn)品、遠(yuǎn)距離定向聲波驅(qū)鳥系統(tǒng)等進(jìn)行聲學(xué)性能的測試及分析研究。該文重點(diǎn)介紹一種基于參量陣技術(shù)驅(qū)鳥設(shè)備的聲學(xué)測試，測試基于與委托方達(dá)成共識(shí)的自編測試作業(yè)指導(dǎo)書，采用全消聲室自由場環(huán)境和實(shí)際工況現(xiàn)場環(huán)境兩套方案，最后針對(duì)其聲壓級(jí)、輻射指向性、工況聲衰減特性等指標(biāo)給出評(píng)價(jià)效果，證明該基于參量陣技術(shù)驅(qū)鳥設(shè)備的聲學(xué)性能能夠滿足委托方的基本使用需求。

關(guān)鍵詞：定向聲波;參量陣;聲學(xué)測量;聲輻射指向性;工況聲衰減

中圖分類號(hào)：TB942; N33;TH811 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）09-0156-05

收稿日期：2019-02-28;收到修改稿日期：2019-04-09

作者簡介：萬宇鵬（1985-），男，四川成都市人，工程師，碩士，主要從事聲學(xué)測試、建筑聲學(xué)等領(lǐng)域的相關(guān)工作。

0 引言

民用航空的安全保障和民用機(jī)場的安全管理是國家高度重視的工作，而目前，我國各主要機(jī)場鳥擊航空器事件數(shù)量近年來持續(xù)上升[1]，這已成為民用機(jī)場安全管理的主要風(fēng)險(xiǎn)之一，鳥撞飛機(jī)事件具有多發(fā)性和突發(fā)性，一旦發(fā)生鳥撞飛機(jī)事故，必定使飛機(jī)受損，造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2-3]。鳥撞飛機(jī)可以使高速飛行的戰(zhàn)斗機(jī)失去動(dòng)力，甚至機(jī)毀人亡，所以鳥撞飛機(jī)早已被國際航空組織確定為“A類空難”[4-5]。鳥撞飛機(jī)事故多發(fā)生在飛機(jī)起飛和降落階段，超過90%的鳥撞事故發(fā)生在機(jī)場和機(jī)場附近空域，而且絕大部分鳥撞事故發(fā)生在低于100m的空域，因此，機(jī)場及其附近的低空區(qū)域是驅(qū)鳥的重點(diǎn)。為了保障航空安全的需求，對(duì)民用機(jī)場鳥擊的防范工作也提出了更高的要求。近年來物理聲學(xué)方法也在現(xiàn)實(shí)驅(qū)鳥中有所使用，例如壓縮跑驅(qū)鳥，爆竹彈驅(qū)鳥，驅(qū)鳥槍驅(qū)鳥等[6]，這些方法大多基于傳統(tǒng)高聲壓脈沖理論基礎(chǔ)，在鳥類活動(dòng)頻繁的時(shí)間和區(qū)域進(jìn)行使用，起初使用效果較好，但是時(shí)間一長，鳥類就會(huì)逐漸習(xí)慣這種聲音，長期適應(yīng)性較差;有些聲學(xué)方法因?yàn)槭苌涑毯洼椛浞秶南拗疲€存在對(duì)于低空飛行鳥類具有威懾作用，但對(duì)于高空飛行鳥類作用很小的情況[7]。在這種背景下，有的科研院所和企事業(yè)單位研發(fā)了不同類型的聲學(xué)驅(qū)鳥裝置[8-9]。如北京某公司研發(fā)了一鍵式驅(qū)鳥操控系統(tǒng)，上海某公司研發(fā)了新型超聲波驅(qū)鳥器，綿陽某公司研發(fā)了遠(yuǎn)距離定向聲波發(fā)射裝置，成都某航空研究所研發(fā)了定向聲波驅(qū)鳥系統(tǒng)等。經(jīng)測試、分析與研究，不同類型的聲波驅(qū)鳥設(shè)備、遠(yuǎn)距離定向聲波驅(qū)鳥系統(tǒng)等產(chǎn)品的聲學(xué)性能不盡相同，本文針對(duì)其中一種基于定向聲波技術(shù)的驅(qū)鳥設(shè)備進(jìn)行了聲學(xué)性能的測試，并對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行了分析與計(jì)算機(jī)仿真，給出了產(chǎn)品測試評(píng)價(jià)。

1 定向聲波技術(shù)原理

根據(jù)Helmholtz理論[10]，兩平面波在不均勻介質(zhì)中非線性傳播的二階場關(guān)系可表述為如圖1所示的關(guān)系。當(dāng)向超聲換能器輸入兩個(gè)頻率分別為fl，f2的電信號(hào)時(shí)，超聲換能器通過機(jī)械振動(dòng)向空氣中發(fā)射兩列頻率分別為fl、f2的超聲波，這兩列超聲波在空氣中產(chǎn)生非線性交互作用，從而最后生成了包括原超聲信號(hào)fl、f2、和頻信號(hào)fl+f2及差頻信號(hào)fl-f2的復(fù)雜聲波。由于吸聲系數(shù)與頻率的平方成正比，頻率較高的超聲波信號(hào)fl、f2、fl+f2將很快被空氣吸收（空氣介質(zhì)對(duì)聲波的吸收系數(shù)與其頻率的平方成正比），剩下處于聲頻范圍內(nèi)的差頻信號(hào)fl-f2在空氣中高指向性（定向）傳播。

聲波是否具有指向性，與聲波波長和聲源尺寸的比率密切相關(guān)：當(dāng)聲波波長遠(yuǎn)大于聲源尺寸時(shí)，聲波沒有指向性;當(dāng)聲波波長接近至遠(yuǎn)小于聲源尺寸時(shí)，聲波將逐步呈現(xiàn)出越來越強(qiáng)的指向性。大部分聲頻波波長都遠(yuǎn)大于聲源尺寸，因此聲頻信號(hào)一般是沒有指向性的。

Peter Westervelt首次提出了參量陣的概念[11]其原理如圖2所示。

換能器向空氣介質(zhì)中發(fā)出強(qiáng)調(diào)制的超聲波，超聲波在沿其傳播軸前進(jìn)的過程中不斷通過非線性作用解調(diào)出聲頻信號(hào)，這些不斷解調(diào)出來的聲頻波累積疊加起來，形成一種端射式的虛擬聲源陣列（end-fire virtual array），這個(gè)虛擬聲源陣即所謂的參量陣。參量陣使得聲頻波的能量在聲波前進(jìn)方向上不斷得到加強(qiáng)。而由于超聲波具有較強(qiáng)的指向性，在傳播主軸方向以外這種疊加加強(qiáng)效應(yīng)很微弱，這最終使得聲頻波在主傳播軸方向有了很高的指向性。參量陣的提出為產(chǎn)生高指向性聲頻波的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。

2 聲學(xué)性能測試

2.1 測試方案的選擇

本文對(duì)某基于參量陣定向聲波技術(shù)的驅(qū)鳥設(shè)備進(jìn)行了聲學(xué)性能測試及評(píng)價(jià)。按照該驅(qū)鳥設(shè)備性能描述和測試需求，根據(jù)待測參數(shù)的技術(shù)特點(diǎn)，提出了針對(duì)不同情況的兩套測試方案。第一套測試方案采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室條件，在全消聲室的環(huán)境下測試該設(shè)備的聲壓級(jí)、指向性和近場聲衰減性能;第二套方案采用實(shí)地工況條件，在戶外模擬正常使用工況下該設(shè)備的實(shí)際工作聲壓特性和遠(yuǎn)場聲衰減性能。

測試主要采用B&K數(shù)采分析儀、配套聲校準(zhǔn)器、傳聲器（備高聲壓）、前置放大器、2270便攜式聲分析儀等行業(yè)認(rèn)可的先進(jìn)精密儀器進(jìn)行。

2.2 測試參數(shù)的選擇

針對(duì)由多個(gè)超聲換能器組成的該陣列式定向聲波驅(qū)鳥設(shè)備，委托方實(shí)際使用中主要關(guān)心的聲學(xué)性能有：其能否產(chǎn)生足夠大的聲壓級(jí)，能否有效地抑制傳播過程中的聲衰減，能否具有較強(qiáng)的指向性等特性[12]。因此，聲學(xué)測試參數(shù)主要選擇為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的最大聲壓級(jí)與聲音輻射指向性，實(shí)際工況下的聲壓級(jí)衰減特性等。具體測試方案描述如下。

全消聲室測試包含：1）裝置最大聲壓級(jí)測試及90°四向指向性測試（0°，90°，180°，270°）。2）消聲室測試方案定為以30°作為意向指向性輻射角度測試范圍，30°覆蓋范圍內(nèi)按5°做細(xì)分測試，30°覆蓋范圍以外按照300做細(xì)分測試。實(shí)驗(yàn)室條件下測試點(diǎn)位布置如圖3所示。

現(xiàn)場工況條件下測試點(diǎn)位布置如圖4所示。

現(xiàn)場工況測試包含：1）正常工況下，正向200 m內(nèi)設(shè)定9個(gè)點(diǎn)位（1，2，4，8，16，32，64，128，200m）的聲壓級(jí)測試及聲能量衰減測試;2）正常工況下，以30°作為意向指向性輻射角度測試范圍，300覆蓋范圍內(nèi)按50做細(xì)分測試，含每個(gè)角度布置9個(gè)點(diǎn)位（1，2，4，8，16，32，64，128，200m）聲壓級(jí)測試及聲能量衰減測試。3）正常工況下，90°、180°、270°3個(gè)方向100m內(nèi)8個(gè)點(diǎn)位（1，2，4，8，16，32，64，100m）聲壓級(jí)測試及聲能量衰減測試。

2.3 測試結(jié)果

測試所得該陣列式定向聲波驅(qū)鳥設(shè)備最大聲壓級(jí)SPL_max=144.3dB。其最大聲壓級(jí)測試結(jié)果見表1和圖5。

該設(shè)備聲頻參量陣主軸正向聲壓級(jí)及衰減測試數(shù)據(jù)如表2所示。

2.4 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)測試的本定向聲波設(shè)備在主軸正向lm處測得最大聲壓級(jí)為144.3dB，正向125m處聲壓級(jí)可達(dá)107.7dB，在正向200m處聲壓級(jí)仍然可達(dá)101.8dB。在主軸反向，1m處聲壓級(jí)為111.2dB，32m處為87.7dB。在有效輻射角度控制方面，+15°范圍內(nèi)100m處聲壓級(jí)可達(dá)到97.4dB以上，-15°范圍內(nèi)100m聲壓級(jí)可達(dá)93.7dB以上。若該設(shè)備在背面方向就隔聲與衰減方面做針對(duì)性的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，預(yù)測應(yīng)能夠有效將背面32m以上范圍內(nèi)聲壓級(jí)控制在80dB以內(nèi)。

2.5 數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)仿真

點(diǎn)聲源是以球面波形式輻射聲波的聲源，輻射聲波的聲壓幅值與聲波傳播距離成反比。正常情況下無指向性的點(diǎn)聲源隨距離衰減的特性仿真如圖6所示。

結(jié)合對(duì)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場工況數(shù)百組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，可以得到該定向聲波設(shè)備的聲壓級(jí)衰減特性、指向特性的聲場平面分布和三維分布如圖7、圖8所示。

從測試結(jié)果可以看出，該設(shè)備在主軸反向30m以外聲壓級(jí)衰減較快，符合實(shí)際使用的需求，但在主軸反向30m以內(nèi)的聲壓級(jí)衰減控制得仍不夠完善。如圖9所示，是無屏罩情況下的設(shè)備聲能擴(kuò)散示意圖。若對(duì)其進(jìn)行改良，在其聲頻陣列背部新增隔屏處理則能更為有效地控制該設(shè)備背部的聲音能量。

如圖10所示，模擬新增規(guī)格為2.0m的隔屏處理后的設(shè)備聲能擴(kuò)散示意圖。

3 結(jié)束語

經(jīng)過對(duì)聲頻定向揚(yáng)聲器的工作原理分析和本次測試結(jié)果可以看出，該陣列驅(qū)鳥設(shè)備其主要特性如下：

1）以200m聲能衰減的數(shù)據(jù)作為支撐，該設(shè)備可以發(fā)射傳統(tǒng)揚(yáng)聲器不能發(fā)出的高指向性聲頻波;

2）該設(shè)備發(fā)出的聲頻能量集中，在傳播過程中大部分能量位于傳播主軸附近，因此與非指向性聲源向各個(gè)方面輻射能量相比，其衰減小、傳播距離遠(yuǎn);

3）傳統(tǒng)揚(yáng)聲器在出口時(shí)聲音音量最大，而聲頻定向揚(yáng)聲器的聲音是沿傳播軸逐漸解調(diào)并不斷疊加成型，因此其能量在接近參量陣有效長度時(shí)達(dá)到最大值。

綜上所述，經(jīng)測試的該定向聲波設(shè)備在指向性方面具備較好的控制能力，正面方向能夠較為有效地抑制聲壓級(jí)的衰減，在背面方向能夠?qū)?2 m以外的聲壓級(jí)有效控制在88dB以內(nèi)。在有效輻射角度控制方面，在±10°范圍內(nèi)表現(xiàn)出了較好的輻射角度控制范圍。若該設(shè)備在背面方向就隔聲與衰減方面做針對(duì)性的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，能更好地改善操作人員的實(shí)際工況感受。

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（編輯：劉楊）