水声材料声学参数测试技术的进展.pdf
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1、第 43 卷 第 1 期2024 年 1 月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.43 No.1Jan.2024收稿日期:2022-07-27 修回日期:2022-10-28基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFB3801800);国家自然科学基金资助项目(92263207,21674003,91427304);科技部“973”计划项目(2014CB643504)第一作者:曹 锃,男,1994 年生,博士通讯作者:佟昊阳,男,1991 年生,工程师,Email:w2735981624 黄唯纯,男,1990 年生,助理研究员,Email:weichunhuang DOI:10.
2、7502/j.issn.1674-3962.202207035水声材料声学参数测试技术的进展曹 锃1,佟昊阳1,易 燕1,颜士玲2,黄唯纯2,李 水1,陈 毅1,赵 涵1(1.杭州应用声学研究所 国防水声计量一级站,浙江 杭州 311400)(2.南京大学 固体微结构物理国家重点实验室 现代工程与应用科学学院,江苏 南京 210093)摘 要:水声材料是水下声系统能力形成和发展的基础,其声学参数测试技术是确保水声材料构件功能实现的重要保障,然而目前水声材料构件的测试技术面临着低频拓展及高压拓展等方面带来的技术挑战。水声材料构件的声管测试技术可分为驻波管法、脉冲管法和行波管法,此 3 种方法在适
3、用性方面相互补充,但存在测试构件尺寸小难以阐明结构的整体特性、构件与管壁间的缝隙造成测量失准的问题。自由场测试技术及压力罐测试技术是大面积水声材料测试的有效手段,但存在测试构件边缘衍射造成测量准确性降低的问题。对目前采用的水声材料测试技术及其研究现状进行了综述,讨论了各类测试技术存在的困难和挑战,并展望了水声材料构件测试技术未来的发展方向。关键词:水声材料;声管;自由场;压力罐;低频;高压;边缘衍射中图分类号:TB565 文献标识码:A 文章编号:1674-3962(2024)01-0079-10引用格式:曹锃,佟昊阳,易燕,等.水声材料声学参数测试技术的进展J.中国材料进展,2024,43(
4、1):79-88.CAO Z,TONG H Y,YI Y,et al.Advances in Acoustic Parameter Testing Technology of Underwater Acoustic Passive MaterialsJ.Ma-terials China,2024,43(1):79-88.Advances in Acoustic Parameter Testing Technology ofUnderwater Acoustic MaterialsCAO Zeng1,TONG Haoyang1,YI Yan1,YAN Shiling2,HUANG Weichun
5、2,LI Shui1,CHEN Yi1,ZHAO Han1(1.Hangzhou Institute of Applied Acoustics,National Defence Underwater Acoustic Metrology Center,Hangzhou 311400,China)(2.National Laboratory of Solid State Microstructures,College of Engineering and Applied Sciences,Nanjing University,Nanjing 210093,China)Abstract:Under
6、water acoustic material is the basis of underwater acoustic system capabilities,and its acoustic parameter testing technology is an important guarantee to ensure the functional realization of underwater acoustic material components.However,the current testing technology of underwater acoustic materi
7、al components faces technical challenges brought by low frequency and high pressure.The acoustic tube testing of underwater acoustic material can be divided into the standing wave tube method,the pulse tube method and the traveling wave tube method.These three methods complement each other in terms
8、of applicability.However,it is difficult to clarify the overall characteristics of the structure due to the small size of the test component,and the gap between the component and the pipe wall causes measurement inaccuracy.Free field test and pressure tank test technologies are effective methods for
9、 large-area underwater acoustic material testing,but there is a problem that the measurement accuracy is reduced due to the edge diffraction of test components.In this paper,the currently used underwater acoustic material testing technolo-gies and their research status are reviewed.The difficulties
10、and challenges of various testing technologies are discussed,and the future development direction of underwater acoustic material components testing is prospected.Key words:underwater acoustic materials;acoustic tube;free field;pressure tank;low frequency;high pres-sure;edge diffraction中国材料进展第 43 卷1
11、 前 言水声材料是指在水中具备声学功能的材料,是水下声系统能力形成和发展的基础,按材料是否具有电声转换功能分为有源材料和无源材料1。水声无源材料通常具备反声、透声、吸声、折声、去耦等各类声学功能,被制作为不同类型的水声构件,广泛应用于现代水声工程中,如潜艇隐身装备、水声换能器、声纳基阵、海洋仿生结构、海洋通讯、水声设备等(如图 1 所示),对促进工程科学、军事科学和海洋科学等多学科领域的研究至关重要2-8。例如,现代舰船、潜艇的隐身装备中广泛应用的消声瓦、去耦瓦、隔声瓦、抑振瓦、消声涂层等;近年来声隐身技术中应用的新型声学超材料(金属水、隐身衣等);声纳导流罩中应用的透声性能良好的透声窗;消声
12、水池中的消声尖劈等。在各领域应用的水声材料通常为各类粘弹性体材料,如天然或合成的橡胶、聚氨酯类材料、碳纤维材料等。这类材料制成的水声构件通常在不同的温度及不同的水压条件下具有不同性质,表现出不同的声学特性9。因此,为确保水声材料构件在其实际应用中功能的实现,需对其在水下不同工况下的声特性参数进行测量。图 1 水声材料应用场景Fig.1 Application scenes of underwater acoustic materials1.1 水声材料测试的历史水声材料测试的历史可以追溯至 1490 年,Leonardo Vinci将一根长管插入水中,并听取远处行船产生的水下声响。1827 年
13、,Daniel Collaton 和 Charles Sturn 在日内瓦湖中进行了人类历史上有记载以来的首次水声量值的测量10。自 20 世纪 70 年代以来,数字技术和计算机技术获得了极大的发展,水声测试技术获得了很大的进步,同时推动了水声材料测试领域的发展11。空气声学领域众多材料测试技术进入水声领域,如双水听器法12、表面声压法13、近场声全息法14,15、脉冲声测量技术16,17等。1989 年,ONION 法被提出用于多层复合材料反射系数的测量,该方法于 1992 年由 Piquette 进一步修正,证明能较为准确地测量材料声反射与透射系数18,19。这些经典方法以其简单方便的优势
14、沿用至今。之后,在水声材料测试中,建立了众多的新方法和新技术,如传递函数法测量技术20,21、时间反转技术22,23、复移动加权指数平均技术24,25、宽带压缩脉冲叠加技术26等,同时高压消声水池、密闭声管27等深水测试技术也获得了进一步发展,众多的更为先进的海上及湖上试验场、消声水池相继得以建设28。1.2 水声材料参数概述水声材料构件的声学性能构成很复杂,针对不同的声学表现,需要相应的水声特性参数来表征其声学特性。通过将水声构件置于已知的声场环境中,测量声场中的声压关系,来描述水声材料构件参数29。在水声材料领域,最常用的特征参数包括:表征反声功能的声压反射系数 rp或回声降低(echo
15、reduction,ER),表征透声功能的声压透射系数 p或插入损失 IL,表征材料吸声功能的吸声系数,这些参数都能通过测量得到的入射声压 pi、反射声压 pr和透射声压 pt计算获得:rp=prpi(1)ER=20lgpipr(2)p=ptpi(3)IL=20lgpipt(4)=1-r2p-2p(5)1.3 水声材料测试研究现状水声材料的测试围绕测量安装水声构件后水下声场中的入射声压、反射声压及透射声压展开,进而获得水声构件的特定声学参数。当前,基本形成了以天然水域、人工水池、密闭声管及腔体为基本测试载体,以射线传播理论、平面波展开理论等为理论方法,以发射换能器、水听器及数字信号处理系统为关
16、键工具的水声材料测试体系,朝着不断拓宽测试频段范围(低频拓展趋势)、拓展高压及变温环境测试条件、提升测量精度的方向发展。一方面,得益于数字信号处理技术的发展,宽带脉冲压缩技术、宽带信号测量技术和多路径信号建模技术等方法降低了有限水域内材料测量的低频限。同时,随着材料制造技术的08 第 1 期曹 锃等:水声材料声学参数测试技术的进展不断进步,高压及更精准的控温系统得以开发,测试环境变化条件的实现使深水测试及复杂环境条件下的测试得到了长足发展。另一方面,以光纤水听器、矢量水听器为代表的先进仪器走入水声材料测量领域,通过获得更多的声场信息(声压和质点振速),拓展了信号处理空间,提升了测量的精度30。
17、1.4 水声材料测试面临的困难在水声材料测试方面,国内外仍然面临许多亟待解决的困难。作者认为主要可归纳为以下两方面。首先,在低频拓展方面存在技术和理论方面的困难。一方面,低频指向性发射换能器目前在国内仍存在众多技术及理论难题,在国际上超远程探测声纳工作频段降至 100 Hz 左右的背景下,我国在低频指向性发射换能器领域进展缓慢31。这是水声测量中普遍面临的问题,也导致水声材料低频测试受发射换能器低频限制难以开展。另一方面,超低频水声材料测量的测试环境存在一定的限制。超低频信号的波长较长,为避免边缘衍射的干扰,对被测样品的尺寸提出了更高的要求,当前国内消声水池已无法满足测试需求,通常需要在天然水
18、域中进行测试。但在天然水域中进行水声材料测试定位精度低且易受外界噪声影响,使低频测试的难度增加,测量不确定度增大。因此,需建设更大尺寸、更高消声标准的消声水池以适应超低频水声材料的测试需求。其次,在测试的更高压拓展方面存在技术方面的困难。深海环境(超高压,700010 000 m 水深条件)的水声材料测试的测试条件在国内仍不能实现:一方面,密封技术仍有待进一步提升;另一方面,发射换能器及水听器等测试设备的超高压适应性研究仍应继续加强31,以满足水声材料的超高压测试需求。本文简要介绍了目前水声材料构件测试技术的研究进展,并讨论了未来的发展方向。首先,介绍了水声构件的声管测试技术,对目前国内外常用
19、的驻波管、脉冲管及行波管测试方法的适用范围和新技术进行了介绍,并阐明了目前声管测试技术仍需解决的技术难点。其次,介绍了水声构件的自由场法及压力罐法测试技术,着重讨论了当前在解决自由场测试中水声构件边缘衍射方面的研究成果及存在的困难。2 水声材料测试技术的研究进展2.1 水声材料的声管测试技术水声材料构件的声学特征参数是在平面波声场条件下被定义10。获取平面波声场的常用方法是使声波在波导管中传播,这种波导管便称为声管。水声构件的声管测试技术基于声波导管理论将声学测量简化为一维问题,通过在充满水的刚性壁面声管内发射平面波,利用被测水声构件的回波性质来计算其相关声学参数,即通过分析声管中传播的入射声
20、压 pi、反射声压 pr及透射声压 pt间的关系获得材料特性,如图 2 所示32。声管测试技术的频率范围受限于声管的尺寸。为确保声管中能形成稳定的简正平面波,声管存在一个与管径 r 相关的上限频率,即截止频率 fmax。对于刚性壁充满水的声管,截止频率则为33:fmax 3.832cw2r(6)式中,cw为水中声速。声管的下限频率 fmin与众多因素有关,包括脉冲声管的有效长度、配套使用的换能器的低频限及相关的测量要求10。其中,脉冲管法仅依据声管有效长度 L 获得的低频限可表示为式(7)33:fmin2cwL(7)当前国内外典型的声管测试装备测试范围可从数十赫兹至数十千赫兹。根据声波信号分离
21、方式及测试频率范围的差异,声管测试技术可以分为脉冲管法、驻波管法和行波管法34,35。图 2 水声材料参数声管法测试中声波入射、反射、透射示意图Fig.2 Schematic of sound wave incidence,reflection and transmission in sound tube test for underwater acoustic materials驻波管法利用发射换能器连续发射单频声波,在管中形成由入射声波和经样品的反射声波组成的驻波场。驻波管法测量经过多年的发展形成了 2 种较为成熟的方式:驻波比法和传递函数法。驻波比法是在声管中布置一个可沿着管轴移动的声源
22、或探针水听器,分析驻波声场中的极大声压值和极小声压值,计算得到材料的反射系数,如图 3a 所示36,37。该方法具有操作简单的优势,但可移动的声源终端在高压环境下密封和运动存在一定困难;而可移动探针水听器需要在测试样品上设置一个中心孔,这使测试材料的完整性被破坏,在一定程度上会降低测试结果的准确性。为解决驻波比法存在的缺陷,一种不需要移动水听器及声源终端的方法应运而生,即传递函数法20,38,39。如图 3b 和 3c 所示,该类声管测量装置预先在驻波管内固定位置布置多个水听器,利用多个水听器测量管内驻波声场,通过传递函数技术分离入射和反射声波,并分析计算材料样品的反射系数。驻波管法为在管内形
23、成稳定的驻波,需要发射换能器发射连18中国材料进展第 43 卷续声波,入射声波和反射声波较易分离,该方法适用于处于水-材料-空气工况下的水声构件测试。图 3 驻波管法测试示意图:(a)驻波比法,(b)传递函数法,(c)杭州应用声学研究所基于传递函数法的 208 驻波管测量装置Fig.3 Schematic of standing wave tube method for sound tube test:(a)standing wave ratio method,(b)transfer function method,(c)the 208 standing wave tube equipment
24、 based on the transfer function method in Hangzhou Institute of Applied Acoustics脉冲管法的测量原理是通过控制发射换能器发射声波的脉冲宽度,实现声管中入射声波、反射声波及透射声波的分离,可直接测量水声构件的反射系数、透射系数和吸声系数,如图 4 所示40-42。脉冲管法是一种可直接在时域上分离 3 种声波的方式,具有测试简单、可靠的优势。但该方法为避免声管内 3 种声波信号间的相互叠加干扰,对发射声波的脉冲宽度及声管的长度存在较高的要求。发射脉冲的宽度与发射换能器的品质因素 Q及谐振频率 f0、水中声速 cw、声管
25、有效长度 L 和测量所要求的稳态正弦波数 K 密切相关,这进一步限制了脉冲声管测量的下限频率(fminKcwf0/(2Lf0-Qcw)。相较于驻波管法,脉冲管法技术难以实现低频(1 kHz 以下)要求下水声构件的测试(以杭州应用声学研究所 120 脉冲管测量装置为例,脉冲管管长为 6 m,测试的低频限为 2 kHz),而驻波管法测量技术测量低频限可达数百赫兹。图 4 脉冲管法测试示意图(a),杭州应用声学研究所的 120 脉冲管测量装置(b)Fig.4Schematic of pulse tube method for sound tube test(a),the 120 pulse tube
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