船用板材自由場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量試驗(yàn)方法

董云龍，梅志遠(yuǎn)

(海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)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(dǎo)流罩、圍殼和消聲瓦、聲障板等，其聲學(xué)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(jì)中獲得樣品結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性非常重要。進(jìn)行水下材料聲學(xué)性能測(cè)試，不僅為材料研制提供設(shè)計(jì)參考，而且能為其應(yīng)用提供評(píng)估依據(jù)。對(duì)于其聲學(xué)性能的測(cè)量，主要有聲管試驗(yàn)和自由場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)。水聲材料自由場(chǎng)測(cè)量主要在開(kāi)闊水域或室內(nèi)消聲水池測(cè)量，與戶外大型水域相比，室內(nèi)消聲水池設(shè)備具有地點(diǎn)合適和環(huán)境可控等優(yōu)點(diǎn)，較為方便且成本更低，便于操作。

對(duì)于水聲材料和結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性測(cè)量，有學(xué)者進(jìn)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(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)試驗(yàn)研究了聲場(chǎng)幾何參數(shù)對(duì)反演結(jié)果的影響。測(cè)量結(jié)果與理論值吻合較好。但是這種方法對(duì)水聽(tīng)器要求較高，需要足夠數(shù)目的水聽(tīng)器，操作起來(lái)較為復(fù)雜。何祥鋪等[2]通過(guò)水下聲強(qiáng)測(cè)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(shí)現(xiàn)方法是根據(jù)雙水聽(tīng)器聲壓互譜法理論，對(duì)水下結(jié)構(gòu)體進(jìn)行近場(chǎng)噪聲測(cè)量。李水等[3-4]為解決大面積水聲材料性能測(cè)量中的各種問(wèn)題，進(jìn)行了多項(xiàng)研究。

本試驗(yàn)的背景基于艦艇導(dǎo)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(xué)2種性能要求，因此在前期材料選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要大量的試驗(yàn)。因此，完善消聲水池測(cè)量樣品聲學(xué)性能的方法，能夠?qū)Υ貌牧辖Y(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)證和預(yù)報(bào)，對(duì)艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定意義。

1 測(cè)量系統(tǒng)

試驗(yàn)在海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院水聲重點(diǎn)試驗(yàn)室消聲水池中進(jìn)行，試驗(yàn)采用脈沖信號(hào)測(cè)量試件的聲學(xué)性能，試驗(yàn)測(cè)試狀態(tài)及系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)測(cè)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(yàn)樣品，聲源為試驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)聲源，配合信號(hào)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(hào)。水聽(tīng)器為B&K標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器，用于接收聲壓信號(hào)。將儀器按照系統(tǒng)所示的順序連接，排除接觸不良問(wèn)題，靜置備用。

2 自由場(chǎng)測(cè)量

在水池中進(jìn)行第一次測(cè)量時(shí)，應(yīng)該對(duì)水池的聲場(chǎng)特性進(jìn)行測(cè)量，便于后續(xù)的誤差分析。對(duì)于水池聲學(xué)測(cè)量，首先應(yīng)該建立平面波聲場(chǎng)，自由場(chǎng)中發(fā)射換能器輻射聲場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)可看成近似的平面波聲場(chǎng)；其次，測(cè)量結(jié)果必須正確反映材料本身的聲學(xué)特性，就好象被測(cè)材料樣品是無(wú)限大一樣，故測(cè)量中要盡量減少樣品邊緣衍射的干擾。為了同時(shí)能滿足上述2項(xiàng)基本要求，首先進(jìn)行了試驗(yàn)場(chǎng)的測(cè)定，對(duì)聲源和尺寸大小不同的試件進(jìn)行了標(biāo)定測(cè)量。

在均勻而各向同性的介質(zhì)中，邊界影響可以不計(jì)時(shí)的聲場(chǎng)稱為自由場(chǎng)。自由場(chǎng)中遠(yuǎn)場(chǎng)的聲波可以近似為平面波聲場(chǎng)，規(guī)范中規(guī)定的平面波遠(yuǎn)場(chǎng)條件為：

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

對(duì)于圖1所示的測(cè)量系統(tǒng)，待測(cè)區(qū)域聲場(chǎng)是否滿足自由場(chǎng)的測(cè)量，主要進(jìn)行了基于文獻(xiàn)[6]中關(guān)于水下電聲參數(shù)的測(cè)量中的試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)待測(cè)區(qū)域驗(yàn)證自由場(chǎng)是否滿足球面波聲場(chǎng)。對(duì)于球面波聲場(chǎng)，聲壓值與距離成反比，在測(cè)量位置的一條直線上不同距離的測(cè)點(diǎn)測(cè)出的聲壓值變化。試驗(yàn)將發(fā)射換能器和水聽(tīng)器懸吊至同等深度進(jìn)行測(cè)量，每種狀態(tài)測(cè)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(yàn)證了該發(fā)射換能器在水池的聲場(chǎng)為球面波聲場(chǎng)。

試驗(yàn)選取圖2所示區(qū)域的聲場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)射換能器的坐標(biāo)為（4 000，3 000，2000），測(cè)點(diǎn)O與發(fā)射源在同一水平面上，相距2000 mm，待測(cè)區(qū)域?yàn)? 000×1 000 mm 的平面，O點(diǎn)距離水平面為 2000 mm，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 自由場(chǎng)測(cè)量區(qū)域Fig.2 Experimental apparatus

表1 自由場(chǎng)測(cè)量結(jié)果Tab.1 Results of Free field measurement

將測(cè)得的聲壓值做對(duì)數(shù)處理并擬合，并與標(biāo)準(zhǔn)球面波的對(duì)數(shù)曲線進(jìn)行比較，如圖3所示。對(duì)無(wú)試件的聲場(chǎng)進(jìn)行分析可以看出，在各個(gè)頻率的測(cè)量結(jié)果中，聲壓值和距離的對(duì)數(shù)都是成反比的，與球面波的變化趨勢(shì)一致，可以驗(yàn)證為球面波。

在發(fā)射換能器距離被測(cè)試件的測(cè)試距離達(dá)到2000 mm時(shí)，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(shí)滿足了自由場(chǎng)平面波聲場(chǎng)的條件。

3 鋼板試件驗(yàn)證

對(duì)自由場(chǎng)測(cè)量結(jié)束后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行鋼板模型的測(cè)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(kuò)展規(guī)律Fig.3 Acoustic wave propagation at different frequencies

圖4 2 000 mm 時(shí)的聲傳遞示意圖Fig.4 Schematic diagram of sound transmission at 2 000 mm

在測(cè)試開(kāi)始前，模型表層應(yīng)擦拭干凈，以避免表面不平整放在水中浸泡（時(shí)間約3 h），使其表面充分浸潤(rùn)，溫度達(dá)到平衡方可測(cè)試，并記錄測(cè)試溫度。本測(cè)量裝置采用了脈沖信號(hào)測(cè)量，發(fā)射器發(fā)射一寬帶脈沖信號(hào)，在聲軸方向上垂直插入樣品，位于聲軸方向的水聽(tīng)器1和水聽(tīng)器2分別測(cè)試直達(dá)聲和透射聲的聲波。通過(guò)測(cè)量軟件和Matlab進(jìn)行DFT處理得到相對(duì)應(yīng)的聲壓幅值頻譜，求得樣品的聲壓透射系數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果與理論公式的趨勢(shì)基本一致，試件的尺寸越大，測(cè)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(cè)量誤差約為2.3%。試驗(yàn)結(jié)果與理論值計(jì)算結(jié)果較為符合。

4 船用材料結(jié)構(gòu)測(cè)量

圖5 聲場(chǎng)測(cè)試示意圖Fig.5 Sound field test schematic diagram

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

在之前的研究中，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鋼板試件驗(yàn)證了試驗(yàn)的有效性，下面通過(guò)某船用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。第1種夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)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(cè)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(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of sound pressure transmission coefficient

該試件的測(cè)量結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)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(shí)由于諧振效應(yīng)，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(yù)期要求。

5 不確定度分析

A類不確定度用統(tǒng)計(jì)方法評(píng)定。

在進(jìn)行消聲水池自由場(chǎng)測(cè)量時(shí)，用一無(wú)指向性水聽(tīng)器在距離d處獨(dú)立測(cè)量6次的水聽(tīng)器輸出電壓。

6次測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

sp=，即為A類不確定度。

B類不確定度是對(duì)校準(zhǔn)系統(tǒng)的影響進(jìn)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(cè)量?jī)x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(tīng)器不穩(wěn)定性按照均勻分布引入的B類不確定度為：

5）測(cè)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(yǔ)

本文對(duì)船用材料水下透聲性能的測(cè)量方法進(jìn)行驗(yàn)證，得出了以下結(jié)論：

1）通過(guò)鋼板試驗(yàn)對(duì)水池試驗(yàn)測(cè)量方法進(jìn)行了完整的分析和實(shí)際測(cè)量，通過(guò)測(cè)量，能夠?yàn)椴牧线x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(duì)2種不同大小的鋼板的測(cè)量結(jié)果顯示，樣品的尺度對(duì)測(cè)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(cè)量誤差；

3）試驗(yàn)摸清了水下自由場(chǎng)測(cè)量的一般方法，根據(jù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析，試驗(yàn)具有有效性和可行性；

4）通過(guò)選取實(shí)際船用聲學(xué)材料，表明實(shí)驗(yàn)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(xué)性能測(cè)量，具有一定的工程意義。