船用板材自由場聲學測量試驗方法

董云龍，梅志遠

(海軍工程大學 艦船與海洋學院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

艦艇結(jié)構(gòu)中包含很多反聲、透聲和吸聲性能結(jié)構(gòu)，如導流罩、圍殼和消聲瓦、聲障板等，其聲學性能是隨頻率、水溫和靜水壓變化的，所以在艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計中獲得樣品結(jié)構(gòu)的聲學特性非常重要。進行水下材料聲學性能測試，不僅為材料研制提供設(shè)計參考，而且能為其應用提供評估依據(jù)。對于其聲學性能的測量，主要有聲管試驗和自由場測量試驗。水聲材料自由場測量主要在開闊水域或室內(nèi)消聲水池測量，與戶外大型水域相比，室內(nèi)消聲水池設(shè)備具有地點合適和環(huán)境可控等優(yōu)點，較為方便且成本更低，便于操作。

對于水聲材料和結(jié)構(gòu)的聲學特性測量，有學者進行了相關(guān)的研究。商德江等[1]利用半空間全息變換技術(shù)，建立了完整的半空間全息法測量系統(tǒng)。通過試驗研究了聲場幾何參數(shù)對反演結(jié)果的影響。測量結(jié)果與理論值吻合較好。但是這種方法對水聽器要求較高，需要足夠數(shù)目的水聽器，操作起來較為復雜。何祥鋪等[2]通過水下聲強測量技術(shù)研究水下結(jié)構(gòu)體聲輻射特性和鑒別其噪聲源，其實現(xiàn)方法是根據(jù)雙水聽器聲壓互譜法理論，對水下結(jié)構(gòu)體進行近場噪聲測量。李水等[3-4]為解決大面積水聲材料性能測量中的各種問題，進行了多項研究。

本試驗的背景基于艦艇導流罩和上層建筑圍殼的材料選型，這些結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)和聲學2種性能要求，因此在前期材料選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計需要大量的試驗。因此，完善消聲水池測量樣品聲學性能的方法，能夠?qū)Υ貌牧辖Y(jié)構(gòu)的聲學性能進行驗證和預報，對艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定意義。

1 測量系統(tǒng)

試驗在海軍工程大學電子工程學院水聲重點試驗室消聲水池中進行，試驗采用脈沖信號測量試件的聲學性能，試驗測試狀態(tài)及系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 試驗測試系統(tǒng)Fig.1 Experimental testing system

消聲水池的尺度為 10 m×6 m×5 m，水池的池壁以及水面都覆蓋吸聲尖劈，理想狀態(tài)下形成六面消聲。水池上有2組桁車，可以懸掛發(fā)射換能器和試驗樣品，聲源為試驗室的標準聲源，配合信號發(fā)生器和功放可以發(fā)射各種波形的連續(xù)或脈沖信號。水聽器為B&K標準水聽器，用于接收聲壓信號。將儀器按照系統(tǒng)所示的順序連接，排除接觸不良問題，靜置備用。

2 自由場測量

在水池中進行第一次測量時，應該對水池的聲場特性進行測量，便于后續(xù)的誤差分析。對于水池聲學測量，首先應該建立平面波聲場，自由場中發(fā)射換能器輻射聲場的遠場可看成近似的平面波聲場；其次，測量結(jié)果必須正確反映材料本身的聲學特性，就好象被測材料樣品是無限大一樣，故測量中要盡量減少樣品邊緣衍射的干擾。為了同時能滿足上述2項基本要求，首先進行了試驗場的測定，對聲源和尺寸大小不同的試件進行了標定測量。

在均勻而各向同性的介質(zhì)中，邊界影響可以不計時的聲場稱為自由場。自由場中遠場的聲波可以近似為平面波聲場，規(guī)范中規(guī)定的平面波遠場條件為：

式中：d為發(fā)射器與水聽器之間的距離；a1，a2為發(fā)射器和水聽器的最大幾何尺寸； λ 與最高頻率相對應的水中波長。

對于圖1所示的測量系統(tǒng)，待測區(qū)域聲場是否滿足自由場的測量，主要進行了基于文獻[6]中關(guān)于水下電聲參數(shù)的測量中的試驗驗證，并對待測區(qū)域驗證自由場是否滿足球面波聲場。對于球面波聲場，聲壓值與距離成反比，在測量位置的一條直線上不同距離的測點測出的聲壓值變化。試驗將發(fā)射換能器和水聽器懸吊至同等深度進行測量，每種狀態(tài)測量3次取平均值，將得到的數(shù)據(jù)利用最小二乘法擬合，若得出的曲線斜率近似為-1，則驗證了該發(fā)射換能器在水池的聲場為球面波聲場。

試驗選取圖2所示區(qū)域的聲場進行測量，發(fā)射換能器的坐標為（4 000，3 000，2000），測點O與發(fā)射源在同一水平面上，相距2000 mm，待測區(qū)域為1 000×1 000 mm 的平面，O點距離水平面為 2000 mm，測點布置如圖2所示，測量結(jié)果見表1。

圖2 自由場測量區(qū)域Fig.2 Experimental apparatus

表1 自由場測量結(jié)果Tab.1 Results of Free field measurement

將測得的聲壓值做對數(shù)處理并擬合，并與標準球面波的對數(shù)曲線進行比較，如圖3所示。對無試件的聲場進行分析可以看出，在各個頻率的測量結(jié)果中，聲壓值和距離的對數(shù)都是成反比的，與球面波的變化趨勢一致，可以驗證為球面波。

在發(fā)射換能器距離被測試件的測試距離達到2000 mm時，基本滿足近似平面波的條件，可以看成平面波，如圖4所示，此時滿足了自由場平面波聲場的條件。

3 鋼板試件驗證

對自由場測量結(jié)束后，在此基礎(chǔ)上進行鋼板模型的測量。鋼板的大小為 720×720 mm 和 1 000×1 000 mm，厚度均為 8 mm。

圖3 不同頻率下聲波擴展規(guī)律Fig.3 Acoustic wave propagation at different frequencies

圖4 2 000 mm 時的聲傳遞示意圖Fig.4 Schematic diagram of sound transmission at 2 000 mm

在測試開始前，模型表層應擦拭干凈，以避免表面不平整放在水中浸泡（時間約3 h），使其表面充分浸潤，溫度達到平衡方可測試，并記錄測試溫度。本測量裝置采用了脈沖信號測量，發(fā)射器發(fā)射一寬帶脈沖信號，在聲軸方向上垂直插入樣品，位于聲軸方向的水聽器1和水聽器2分別測試直達聲和透射聲的聲波。通過測量軟件和Matlab進行DFT處理得到相對應的聲壓幅值頻譜，求得樣品的聲壓透射系數(shù)。

試驗結(jié)果如圖6所示，試驗結(jié)果與理論公式的趨勢基本一致，試件的尺寸越大，測量結(jié)果越接近理論值，720×720 mm 的試件誤差為 6.4%，1 000×1 000 mm的試件測量誤差約為2.3%。試驗結(jié)果與理論值計算結(jié)果較為符合。

4 船用材料結(jié)構(gòu)測量

圖5 聲場測試示意圖Fig.5 Sound field test schematic diagram

圖6 聲壓透射系數(shù)測試結(jié)果Fig.6 Test results of sound pressure transmission coefficient

在之前的研究中，通過標準鋼板試件驗證了試驗的有效性，下面通過某船用復合材料夾層結(jié)構(gòu)進行實際測量。第1種夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計目標是輕質(zhì)的低透聲結(jié)構(gòu)，具有較好的隔聲效果。該夾層結(jié)構(gòu)的材料以及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

測試結(jié)果如圖7所示。

表2 試件的材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of the specimen

圖7 透射系數(shù)測試結(jié)果Fig.7 Test results of sound pressure transmission coefficient

該試件的測量結(jié)果表明，實驗結(jié)果與理論值吻合的較好；試件的整體透聲系數(shù)較小，具有一定的隔聲效果，在7 000 Hz左右存在透聲系數(shù)的峰值，此時由于諧振效應，透聲性提高；在 2000～6 000 Hz 與 10 000 Hz以上，試件的隔聲性能好，滿足預期要求。

5 不確定度分析

A類不確定度用統(tǒng)計方法評定。

在進行消聲水池自由場測量時，用一無指向性水聽器在距離d處獨立測量6次的水聽器輸出電壓。

6次測量結(jié)果的標準偏差為：

sp=，即為A類不確定度。

B類不確定度是對校準系統(tǒng)的影響進行修正，取k=3。

1）采集器的最大允許誤差由于0.1%，按均勻分布，測量儀器引入的B類不確定度為：

2）鋼卷尺的最大允許誤差為1%，按均勻分布，鋼卷尺引入的不確定度為：

3）功率放大器按均勻分布引入的B類不確定度為：

4）水聽器不穩(wěn)定性按照均勻分布引入的B類不確定度為：

5）測量放大器按照均勻分布引入的B類不確定度為：

則B類的合成不確定度為：

6 結(jié) 語

本文對船用材料水下透聲性能的測量方法進行驗證，得出了以下結(jié)論：

1）通過鋼板試驗對水池試驗測量方法進行了完整的分析和實際測量，通過測量，能夠為材料選型方案提供結(jié)果支撐，便于分析其性能是否滿足使用需求。

2）對2種不同大小的鋼板的測量結(jié)果顯示，樣品的尺度對測量結(jié)果也有一定的影響，分析可能由于邊緣衍射造成了測量誤差；

3）試驗摸清了水下自由場測量的一般方法，根據(jù)對測量結(jié)果的分析，試驗具有有效性和可行性；

4）通過選取實際船用聲學材料，表明實驗方法具有一定的使用性，能較好的用于船用結(jié)構(gòu)板材的大樣品聲學性能測量，具有一定的工程意義。