A standing wave tube method for measuring acoustic and vibration characteristics of underwater acoustic materials
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摘要:
提出了一种基于驻波管的测量方法, 以获得水声材料在静水压条件下的声学和振动特性参数。设计了带有气压补偿功能的低频发射换能器, 作为驻波管的声源, 通过水柱将换能器的平面活塞振动耦合到水面下的被测样品。在被测样品背衬上安装加速度计, 测量样品背面振速; 同时在管壁中嵌入一对水听器, 测量水柱声压。导出样品声波入射面的振速和声压, 进而计算出样品前表面和背衬面之间的振速传递系数(去耦系数)、样品的输入阻抗和声压反射系数。建立低频驻波管测试系统, 声管尺寸为内径300 mm、外径600 mm、高3 m, 工作频率范围100~1000 Hz, 利用水层样品和多层穿孔橡胶样品开展了实验研究。实验结果显示, 测量数据与仿真计算数据吻合较好, 验证了测量方法的有效性。
Abstract:A measurement method based on standing wave tube is proposed to get the acoustic and vibration characteristic parameters of underwater acoustic materials under hydrostatic pressure. A low-frequency emission transducer with pneumatic compensation is designed as the sound source for standing wave tube. Through a water column, the planar piston vibration of the transducer is coupled to the sample under the water surface. An accelerometer is installed on the backing of the tested sample to measure the vibration velocity of the sample backside. Meanwhile, a pair of hydrophones embedded in the tube wall is used to measure the sound pressure of the water column. Based on the measured data, the vibration velocity and sound pressure of the sample surface of incidence are derived. The vibration velocity transfer coefficient (decoupling coefficient) between the front and back surfaces of the sample, the input impedance, and the sound pressure reflection coefficient of the sample are then calculated. A low-frequency standing wave tube test system is constructed with a tube size of 300 mm inner diameter, 600 mm outer diameter, and 3 m in height, with a frequency range of 100 Hz to 1000 Hz. The experimental studies are conducted using water layer samples and multi-layer perforated rubber samples. The results show good agreement with the simulation data, thus validating the effectiveness of the measurement method.
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引言
水声材料在功能上可分为4类: 透声、反声、吸声和隔声去耦材料, 如换能器包覆材料、声障板、消声瓦和隔声去耦层等[1-2]。声障板在声呐基阵中具有重要作用[3-5], 除能提高声呐接收基阵的空间增益和信噪比外, 一般还具备去耦特性, 能在一定程度上屏蔽声呐安装平台的振动, 减小对基阵的干扰。敷贴在船体不同部位的消声瓦和隔声去耦瓦等声学覆盖层能减小本船的目标强度、抑制低频振动及噪声辐射[6-8]。声学覆盖层一般采用多层板状结构, 内部包含穿孔圆柱腔体等共振结构, 有的具有粘弹性层和加强层[9]。近年, 超材料等新型声学构件在声学覆盖层的应用方面也得到了快速发展[10]。水声材料的研究和应用中, 不仅需要知道水声材料样品在模拟工作环境下的声学特性, 还需要了解其振动特性, 这也是本文重点解决的问题。
为了在实验室模拟的深水静水压和水温环境条件下测量水声材料样品的声学性能, 普遍采用高压消声水罐和声管设备。Piquette提出了在高压大型消声水罐中测量大面积板状样品声学性能的方法, 测量频率降低到500 Hz左右[11] 。李水等将参量源测量方法应用于内径4 m、长度12 m的高压消声水罐中, 实现了对1 m2大小的水声材料样品声学性能的测量, 最低测量频率1 kHz[12]。Audoly提出了水声材料全特性概念及其测量方法: 在自由场中测得样品声压反射和透射系数复数量, 再通过模型计算样品去耦系数; 敷贴去耦材料振动台声辐射的测量; 敷贴消声层船体回声降低的测量[13-14]。声管设备更适用于水声材料研究初期的测量, 节省样品材料, 且方便快捷 [15]。Piquette将原用于水听器校准的行波管设备改造为适用于在模拟海洋环境下测量水声材料样品回声降低和插入损失的装置[16]。李水等研究了水声材料样品声学性能行波管测量方法[17], 建立了最高耐压10 MPa的水声材料样品标定装置, 用于在高静水压条件下的声压反射系数、声压透射系数和吸声系数的测量, 频率范围为100 Hz~4 kHz[18]。
水声材料去耦特性的低频测量主要有两种方法: 一是通过舱段模型测量, 在敷贴声学覆盖层的浮体舱段内振动激励, 使用水下线列阵测量辐射噪声, 直接测得去耦层的屏蔽效能。文献[19-21]采用舱段模型开展水下声辐射的测试和计算, 研究了壳体振动传递规律、结构振动声辐射仿真以及隔声去耦复合层的降噪效果, 因为试验模型较为复杂, 难以直接得到隔声去耦层本身的性能参数, 且这种方法费用高、精度低。二是通过声管样品测量, 早期采用比较脉冲声管发射器表面贴与不贴被测样品时声源级的差异来评价样品的去耦性能, 由于测量方法本身的限制, 测量频率基本在千赫兹频段。随着水声去耦层器件内部结构复杂化和工作频率的逐步降低, 该方法已不能满足目前的低频测量需求。文献[22-23]研究了常压条件下声管中样品振动声辐射的测量方法, 在声管一端安装吸声尖劈, 另一端振动激励有无敷贴消声瓦样品前后的刚性背衬, 利用管中水听器测量辐射声压变化, 测量频率范围500 Hz~4 kHz。文献[24]提出了基于驻波管的阻抗测量方法, 测量频率范围为500 Hz~5 kHz, 最高静水压3 MPa。这两种方法的测量频率还不能覆盖隔声去耦层最主要的低频工作频段。为了满足同时测量水声材料样品声学和振动特性的需求, 李水等建立了工作频率低至50 Hz、声管内径300 mm、外径600 mm、高5 m的水声材料声振特性参数行波管校准装置, 并提出了去耦系数的行波管测量方法[25]。上述测量方法中, 无论是在自由场水域还是在声管中, 确定水声材料去耦特性的物理量均为声压, 未能直接给出评价材料样品去耦特性的振速变化。
本文提出了一种可实现在驻波管中测量水声材料样品振速去耦系数的测量方法。设计了工作频率范围100 Hz~1 kHz、带有气压补偿功能的耐压低频活塞发射换能器, 相比前期研制的声管换能器, 具有更低的工作频率, 解决了声管的低频声源问题[26-27]。通过管内水柱中声压场和样品背衬加速度的联合测量, 计算出样品表面的振速和声压, 从而得到样品的振速去耦系数、输入阻抗和声压反射系数。此外, 还对水层样品、实心橡胶样品和多层穿孔橡胶样品开展了实验测量, 并与平面波模型、有限元模型仿真计算结果进行了比较。
1. 测量系统
1.1 系统组成
水声材料声振特性低频驻波管测量系统组成如图1所示。驻波管为不锈钢材质, 尺寸为内径300 mm、外径600 mm和高3 m, 两段式设计, 下段高2 m, 可充水和放置被测样品; 上段高1 m, 可充高压氮气, 最高耐压3 MPa。发射系统由函数发生器、功率放大器和发射换能器组成, 接收系统由水听器组、测量放大器、滤波器和信号采集器组成。计算机和专用测量软件实现对程控仪器的设置、信号采集与处理, 完成声学计算、处理结果保存、输出等。活塞式振动模式的发射换能器安装于驻波管的底部, 双水听器间隔一定距离嵌入管壁, 被测样品或刚性背衬采用简支方式放置于驻波管壁的台阶上, 注水时控制水柱高度使水面刚好浸没样品背衬。在背衬上安装一只耐压加速度计, 电缆通过上盖的耐压气密接插件和测量放大器连接。气压控制装置能对驻波管内气腔和换能器后部空腔同时进行压力调节, 实现换能器前后的压力平衡。
当声管中只传播平面波时, 测量频率上限fH与管内径a有关, 必须小于波导中的(1,0)号简正波的截止频率f10, 即
fH < f10 = 1.84cw2πa, (1) 其中, cw为管中声速, 取1450 m/s, 则截止频率f10约为2800 Hz。当最高测量频率fH为1000 Hz时, 管中仅有平面波传播[28]。
1.2 耐压低频声源
为了在驻波管中产生理想的平面波, 平面活塞振动模式的声源是最佳选择。辐射面前端是水介质, 后端是空气介质。换能器前盖板通过两道O型圈与管壁密封, 当声管加压测试时, 通过联动的气压控制装置施加静压力补偿。换能器采用了四组稀土超磁致伸缩棒材组成纵向振动振子, 前盖板选用硬铝圆盘, 直径298 mm, 厚20 mm, 包覆透声橡胶, 尾质量块选用黄铜圆盘, 换能器直径298 mm, 高265 mm。纵振式换能器近似为半波长振子, 谐振频率受限于高度, 有限高度内工作频率下限基本确定。在低于纵向振动模态频率时, 换能器做近似活塞振动, 辐射面振速可认为是一致的, 如图2所示。纵向式换能器常见前盖板弯曲振动模态, 如图3所示。前盖板弯曲振动模态频率高于纵向振动模态频率, 前盖板弯曲模态可以与纵向振动耦合形成纵-弯耦合的宽带发射, 使辐射面振速分布更为一致。
仿真计算得到换能器纵向振动模态的共振频率为1684 Hz; 由于水密设计的需要, 前盖板边缘向外延伸, 导致弯曲振动频率降低, 弯曲振动模态共振频率为1769 Hz, 均高于测量系统工作频率。驻波管底部安装发射换能器, 测试换能器辐射声压级, 结果如图4所示, 其中 f 为测试频率(单位: Hz), SPL为声压级(单位: dB, 基准值: 1 μPa·m), 测量系统的本地噪声低于100 dB, 可保证测量系统在工作频率范围内有足够的信噪比。
2. 测量方法
2.1 平面波模型
建立如图1所示的测量系统, 声管底部的发射换能器发射频率范围100 Hz~1 kHz的单频正弦连续声波, 垂直入射至样品下表面, 可在声管水介质中建立稳定的平面波驻波声场。图5为驻波管模型, 给出了水听器、样品和发射换能器的位置。设入射声压为pin, 部分声能被样品反射, 声压pre, 水听器1和水听器2接收到的声压分别为p1和p2。入射声波激发样品振动, 利用样品刚背衬上的加速度计可测得振动速度。假设被测材料为等效均匀介质层, 管中的平面波在图6所示的分层介质中传播, 自下而上分别为水柱、样品层和刚性背衬, 厚度分别为Hw, HL, HM。已知水柱和刚性背衬的特性阻抗, 其密度、纵波声速分别为ρw, cw和ρM, cM。材料样品的密度和纵波声速分别为ρL和cL。设水柱下表面和上表面的声压及振速分别为p0, v0和p1, v1, 刚性背衬与样品界面上的声压和振速分别为p2, v2, 在绝对声软的气腔条件下刚性背衬下表面振速v2和上表面振速v3连续。
2.2 测量方法
如图5所示, 驻波管底部发射换能器发射频率为f、幅值为A的正弦连续波, 在声管波导内形成平面驻波声场, 水柱中的声压为
p(x)=A⋅exp[j(ωt+kx)] + B⋅exp[j(ωt−kx)], (2) 水柱中质点振速为
v(x)=−Aρwcw⋅exp[j(ωt+kx)] + Bρwcw⋅exp[j(ωt−kx)], (3) 其中, k = ω/cw, ω = 2πf, B为样品反射波声压幅值。因此, 水听器1处的声压为
pw1(l)=A⋅exp[j(ωt+kl)] + B⋅exp[j(ωt−kl)], (4) 水听器2处的声压为
pw2(l + d)=A⋅exp[j(ωt+kl+kd)] + B⋅exp[j(ωt−kl−kd)], (5) 其中, l为水听器1到样品下表面的距离, d为水听器1和2之间的间距。通过测得的水听器1和2处的声压, 可计算得到A和B:
A=pw2exp(−jkl)−pw1exp[−jk(l+d)]exp(jkd)−exp(−jkd), (6) B=pw1exp[jk(l+d)]−pw2exp(jkl)exp(jkd)−exp(−jkd). (7) 由式(3)可知, 样品和水柱界面的振速为
v1=−Aρwcw + Bρwcw. (8) 由样品刚性背衬上的加速度计直接测得振速:
v3=a3jω, (9) 其中, a3为测得的刚性背衬加速度。相对刚性背衬, 气腔可近似为绝对声软介质, 刚性背衬前后振速比为
v2v3 = cosh(jkstLM)≈1, (10) 其中, kst=ω/cM。最后可计算得到带刚性背衬样品的相对输入阻抗zin、声压反射系数rp和振速传递系数tv (振速去耦系数):
zin=1ρwcw⋅p1v1=A + BA−B, (11) rp=z−ρwcwzin + ρwcw, (12) tv=v1v2=pw1[exp(jk(l+d))+exp(−jk(l+d))]−pw2[exp(jkl)+exp(−jkl)]a2⋅ρwcw[exp(jkd)−exp(−jkd)], (13) 式(3)—式(13)的计算结果v2/v0, zin, rp, tv的幅值分别用V2/V0, Zin, Rp, Tv表示。
3. 测量实验
3.1 水层样品的测量
在测量实际样品之前, 准备一块和样品背衬一样的圆形不锈钢板, 直径298 mm、厚度10 mm, 中央安装一只加速度计。采用简支方式将不锈钢板安放于驻波管下段管口的台阶上, 调节水柱的高度使水面刚好没过钢板上表面。假设厚度HL的水层为被测样品, 由于水的特性阻抗已知, 可用来校准管壁上安装的双水听器灵敏度一致性和刚性背衬上加速度计的灵敏度, 验证水声材料样品声振特性参数测量方法的有效性。图7—图10为200 mm厚水层样品的声振参数测量值与基于平面波模型的理论计算值的幅值, 声振参数包括: 刚性背衬上的振速V2与水柱下表面振速V0之比、水声样品的振速去耦系数TV、水层样品的相对输入阻抗Zin和水层样品的声压反射系数Rp。同时, 还对水层样品的振速去耦系数进行了有限元仿真计算, 可见3条曲线的趋势具有较好的一致性。
3.2 穿孔橡胶样品的测量
实验研究中, 试验样品模拟声障板和去耦隔声瓦等水声材料构件, 采用穿孔橡胶声学结构。定制的多种样品: (1)不锈钢背衬样品, 直径298 mm, 厚度10 mm, 粘贴在橡胶样品背后; (2)均匀橡胶层基材样品, 直径56.5 mm, 厚度分别为100 mm和150 mm, 用于在内径57 mm脉冲声管中测量样品的纵波声速和衰减系数, 测量结果分别为1550 m/s和0.13 Np/m; (3)穿孔橡胶层样品, 直径295 mm, 单层厚度为15 mm, 利用多层组合制成厚度分别为30 mm和45 mm的隔声去耦层样品。穿孔橡胶样品采用高模量的实心阻尼层与低刚度、带声学结构空腔的去耦层复合, 阻尼层抑制背衬板振动, 去耦层隔离背衬板振动向水介质中传递, 降低与水介质接触界面的振动速度, 达到降低声辐射的目的。
单层空腔内径为8 mm, 厚度11 mm, 上下端面封口层厚度为2 mm, 声腔分布间距为12 mm, 后部背衬为10 mm不锈钢层的全封闭圆盘。选择典型频率500 Hz, 对单层去耦层样品在驻波管中测量时的声场进行有限元仿真, 结果如图11所示。样品内部空腔的声压非常小, 放大千倍以上可观察到样品表面附近的声压分布稍有起伏, 由于驻波管波导作用, 离开样品一定距离后, 管中声场趋于均匀。如图12所示, 频率500 Hz时样品截面振速分布是比较均匀的。
在常压下, 对去耦材料试验样品DG-2 (厚度30 mm)进行声振参数测量, 并和基于平面波模型的理论计算结果比较, 同时对样品的振速去耦系数进行有限元仿真计算, 结果如图13—图16所示, 其中频率范围为100 Hz~1 kHz, 纵轴为参数幅值。1 kHz以下频段, 测量结果和理论结果的趋势较好地吻合。通过与水层样品测量数据比较和分析, 1 kHz附近起伏大于低频段的可能原因是穿孔橡胶样品在高频声波激励下的振动模态并非理想的平面活塞振动, 此外实验过程中也存在一些环境振动的影响。
对去耦材料试验样品-3 (厚度为50 mm, 图17)进行静水压力下的测试, 结果如图18—图21所示, 其中纵轴为参数幅值。在静水压1 MPa以下, 样品表现出正常的去耦特性; 在静水压1 MPa以上, 橡胶材料和声腔结构变形严重, 空腔结构可能已改变, 去耦特性失效。
测量系统标准不确定度的A类评定时, 选取直经298 mm、厚度20 mm均匀橡胶样品, 粘贴10 mm厚不锈钢板背衬, 水听器1到样品下表面的距离l为0.4 m, 水听器1和2的间距d为0.3 m, 水介质密度ρw为950 kg/m3、声速cw为1450 m/s。以典型测量频率点500 Hz为例, 振速去耦系数Tv的6次测试数据及实验标准偏差结果见表1。在500 Hz频率点振速去耦系数测量结果平均值为0.981, 实验标准偏差为0.0053, 则由多次重复测量引入的测量不确定度u1为0.0053。
表 1 典型频率下Tv的6次测量结果及实验标准偏差f (Hz) Tv1 Tv2 Tv3 Tv4 Tv5 Tv6 Tv平均 sn(¯Tv) 500 1.001 0.988 0.978 0.978 0.977 0.962 0.981 0.0053 根据式(13)计算振速去耦系数TV的不确定度传递系数较为复杂。假设直接被测的物理量相互独立, 互不相关, 测量不确定度主要来源于信号采集系统的量化误差、功率放大器稳定性、信噪比不足、声场不均匀、平面活塞振动不均匀、样品与管壁的间隙影响、水介质中气泡干扰、水介质声速估算偏差和水听器灵敏度校准测量不确定度等因素, 水听器在管壁上固定嵌入式安装, 位置偏差可忽略。计算得到各种综合因素引入的测量不确定度u2为0.035。计入多次重复测量引入的测量不确定度, 可得振速去耦系数合成标准不确定度为
uc(TV)=√u21(TV)+u22(TV)=0.035. (14) 取包含因子k＝2, 则振速去耦系数的扩展不确定度为
U=k⋅uC(Tv)=0.07 (k=2) 。4. 结论
提出了一种基于低频驻波管的水声材料声振特性参数测量方法, 建立了可在一定压力下测量的实验系统。低频驻波管内径300 mm、外径600 mm、高3 m, 工作频率范围为100 Hz~1 kHz。对水层样品进行了实验测量, 与平面波模型、有限元模型的计算结果比较, 发现水层样品的振速去耦系数、输入阻抗、声压反射系数测量结果和理论曲线在全频段均很好地吻合, 有效地验证了该测量方法。对具有声学结构的多层穿孔橡胶样品开展了实验研究, 得到了样品声振特性随不同静水压变化的规律。但该方法还需进一步改进, 如驻波管应安装在减振隔振基础上, 以减少外界对测量系统的干扰; 提高发射换能器200 Hz以下频段的发射响应, 以提高管中低频声场的信噪比; 研制耐高静水压的样品, 提高试验样品的耐压水平, 以开展高静水压下的测量实验。
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表 1 典型频率下Tv的6次测量结果及实验标准偏差
f (Hz) Tv1 Tv2 Tv3 Tv4 Tv5 Tv6 Tv平均 sn(¯Tv) 500 1.001 0.988 0.978 0.978 0.977 0.962 0.981 0.0053 
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