一种基于格林函数重构技术的无源材料低频反射系数测量方法技术

一种基于格林函数重构技术的无源材料低频反射系数测量方法，包括：1)利用时反技术获得多维马尔琴科方程中的反射波时反项；2)重构水听器到试样表面的散射波格林函数；3)数值时反实现散射波聚焦；4)反射系数测量值的计算。本发明专利技术通过时反技术得到多维马尔琴科方程中的反射波时反项，进而代入简化后的多维马尔琴科方程获得水听器到试样表面的散射波格林函数，然后将重构的散射波格林函数与对应水听器位置的反射波时反项进行卷积并对所有阵元卷积项求和得到散射波在试样表面的聚焦，本发明专利技术可抑制低频测量中的混响对试样反射波的干扰，有利于低频直达波和发射波的分离；压力罐测量实验验证了本发明专利技术在低频水声无源材料反射系数测量中的有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于格林函数重构技术的无源材料低频反射系数测量方法
本专利技术涉及一种水下无源材料大样低频反射系数的测量方法。
技术介绍
水声无源材料指敷设在水下部件上的专用功能声学材料与结构，主要由消声瓦、隔声瓦、抑振瓦、去耦瓦、阵列消音器等具有不同声学功能的系列产品综合组成的声学防护体系。水声无源材料一方面可吸收主动探测声波，降低水下结构的声目标强度，另一方面可作为抑制结构自身辐射噪声的材料。回声信号的强弱与目标的反射特性密切相关，它是衡量水声无源材料吸声性能的重要指标之一，工程上用“目标强度”来描述目标声反射本领的大小。相比于声管测试，消声水池的大样测量可以较好地体现水下无源材料结构的整体吸声性能，但是由于低频条件下水池周边消声材料的吸声性能有限，声波多径传播明显，并且低频声波周期较大，混响导致的多径叠加更加明显，对测量造成很大的干扰。时间反转聚焦方法利用时反补偿测量环境的多径，减少界面混响对直达波信号的干扰，提高测量的信混比，从而提高测量精度。但是在实际测量中，为了获得计算反射系数所需的直达波和反射波，水听器与测量试样需要保持一定的距离才能保证直达波和反射波的分离。尤其在低频测量中，由于信号本身周期较长，为了保证直达波和反射波的可分离，水听器和测量试样间的距离将远远大于高频的情况。由于试样的反射波也会受到波导效应的影响，所以接收到的反射信号将包含大量界面混响，并与直达路径的反射波叠加，给测量带来很大干扰。时反方法虽然减少了界面混响对入射波信号的干扰，但是无法解决低频条件下界面混响对试样反射波的干扰，严重影响了该方法在低频时的测量性能。
技术实现思路
为克服现有技术的上述缺点，实现低频条件下水声无源材料反射回波和直达波的分离并进行多径干扰抑制，进一步提高时间反转聚焦测量方法在低频条件下测量结果的精度，本专利技术提出一种基于格林函数重构技术的无源材料低频反射系数测量方法，该方法通过时反技术得到多维马尔琴科方程中的反射波时反项，利用多维马尔琴科方程得到水听器到试样表面的散射波格林函数，通过数值时反实现声波在试样表面的聚焦，从而减小界面混响对试样反射波的干扰，达到低频条件下从界面混响中分离出试样反射波的目的。该方法适用于低频段，在有效减小测量误差、提高测量精度的同时，降低了对实验设备、试样尺寸和实验空间的要求。压力罐测量实验验证了本专利技术在水声无源材料回声降低测量中的有效性。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案如下。一种基于格林函数重构技术的无源材料低频反射系数测量方法包括如下步骤：1)利用时反技术获得多维马尔琴科方程中的反射波时反项：在放置试样的条件下，选择接收阵上的某一水听器为聚焦水听器，各发射换能器依次发射信号并记录该聚焦水听器接收到的信号，将接收到的信号时间反转并由对应的发射换能器同步发射，则水听器接收到的是时间聚焦信号，截取该时间聚焦信号在聚焦时刻前的波形作为多维马尔琴科方程中的反射波时反项；2)重构水听器到试样表面的散射波格林函数：将步骤1)中的反射波时反项代入简化后的多维马尔琴科方程得到聚焦水听器到试样表面的散射波格林函数；3)数值时反实现散射波聚焦：将步骤2)重构的散射波格林函数与步骤1)中的对应水听器位置的反射波时反项卷积，通过对接收阵上所有水听器进行相同操作后将每一水听器对应的卷积结果求和，实现散射波在试样表面的聚焦，并将该聚焦波记为pr；4)反射系数测量值的计算：将步骤1)中时反发射得到的聚焦波作为入射波pi，步骤3)计算得到的聚焦波pr作为反射波，计算反射系数本专利技术的技术构思为：通过时反技术得到多维马尔琴科方程中的反射波时反项，进而通过简化后的多维马尔琴科方程获得水听器到试样表面的散射波格林函数，然后将重构的散射波格林函数与对应水听器位置的反射波时反项进行卷积并对所有阵元卷积项求和得到散射波在试样表面的聚焦，从而消除界面混响对试样反射波的干扰，达到抑制混响的目的。与现有的基于时间反转聚焦技术的无源材料反射系数测量方法相比，本专利技术的技术优势主要表现在：利用多维马尔琴科方程和时反技术得到水听器到试样表面的散射波格林函数，并通过数值时反实现散射波到试样表面的聚焦，达到抑制混响对试样反射波干扰的目的，尤其适用于低频段试样反射系数的测量。附图说明图1是实施本专利技术方法的从某组实验数据截取的聚焦水听器的反射波时反项。图2是实施本专利技术方法的位置标记示意图。图3是实施本专利技术方法的实验系统的连接示意图。图4是压力罐条件下6mm厚钢板反射系数理论值与试验结果对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1～图4，一种基于格林函数重构技术的无源材料低频反射系数测量方法，用于有限空间水声无源材料反射系数的测量。整套测量方法的技术方案如下：1)利用时反技术获得多维马尔琴科方程的反射波时反项：在放置试样的条件下，选择接收阵上的某一水听器为聚焦水听器，各发射换能器依次发射信号并记录该聚焦水听器接收到的信号，将接收到的信号时间反转并由对应的发射换能器同步发射，则水听器接收到的是时间聚焦信号，如图1所示，截取该时间聚焦信号在聚焦时刻前的波形作为多维马尔琴科方程中的反射波时反项。2)重构水听器到试样表面的散射波格林函数：将步骤1)中得到的反射波时反项记为R(x,xR,-t)，其中如图2所示，粗体字母x、xR表示空间xz平面坐标点，x表示接收阵上任一水听器位置，xR表示聚焦水听器位置；由多维马尔琴科方程得到格林函数和反射响应的关系为其中G(xF,xR,t)表示从xR处到xF处的格林函数，包括直达波部分和散射波部分，xF表示被测材料试样位置，如图2所示；R(xR,x,t)表示从x处到xR处的反射波；Gd(x,xF,t)表示从xF处到x处的直达波格林函数；τ表示时间，式中表示对被积分项作时间积分；表示接收阵水听器分布范围；如图2所示，水听器阵位于xz平面，则d2x＝dxdz表示该平面上的面积分单元，这里表示每个水听器接收的反射波信号的积分求和。为便于工程实现，可以对公式(2)进行两处针对性的简化：实际测量问题只需重构散射波格林函数；接收阵上不同水听器到被测试样的直达波格林函数可以用同一个直达波格林函数代替，该直达波格林函数是关于时延和距离衰减的函数，因此计算重构水听器到试样表面的散射波格林函数Gs(xF,xR,t)，其中L表示水听器阵到试样表面的垂直距离，Gs(xF,xR,-t)是散射波格林函数Gs(xF,xR,t)的时反形式。3)数值时反实现散射波聚焦：将步骤2)中重构的散射波格林函数与步骤1)中的对应水听器位置的反射波时反项通过对接收阵所有水听器进行相同操作后将每一水听器对应的卷积结果求和，即计算实现散射波在试样表面的聚焦并将该聚焦波记为pr。4)反射系数测量值的计算：将步骤1)中时反发射得到的聚焦波形作为入射波pi，步骤3)计算得到的聚焦波pr作为反射波，代入公式(1)计算得到计算反射系数r。实例说明：为验证本专利技术在无源材料反射系数低频测量中的有效性，实验室条件下开展了压力消声水罐环境下的试验验证。实验中三元发射阵与测量样品相距4.5m，3个圆形发射换能器阵元均匀分布在半径为1.5m的圆上。测试样品为钢板，其几何尺寸为1.1m×1.0m×6mm，密度为7.84×103kg/m3，声速为5470m/s，8元水听本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于格林函数重构技术的无源材料低频反射系数测量方法，包括以下步骤：1)利用时反技术获得多维马尔琴科方程中的反射波时反项：在放置试样的条件下，选择接收阵上的某一水听器为聚焦水听器，各发射换能器依次发射信号并记录该聚焦水听器接收到的信号，将接收到的信号时间反转并由对应的发射换能器同步发射，则水听器接收到的是时间聚焦信号，截取该时间聚焦信号在聚焦时刻前的波形作为多维马尔琴科方程中的反射波时反项；2)重构水听器到试样表面的散射波格林函数：将步骤1)中的反射波时反项代入简化后的多维马尔琴科方程得到聚焦水听器到试样表面的散射波格林函数；3)数值时反实现散射波聚焦：将步骤2)重构的散射波格林函数与步骤1)中对应水听器位置的反射波时反项卷积，通过对接收阵上所有水听器进行相同操作后将每一水听器对应的卷积结果求和，实现散射波在试样表面的聚焦，并将该聚焦波记为pr；4)反射系数测量值的计算：将步骤1)中时反发射得到的聚焦波作为入射波pi，步骤3)计算得到的聚焦波pr作为反射波，计算反射系数

【技术特征摘要】
1.一种基于格林函数重构技术的无源材料低频反射系数测量方法，包括以下步骤：1)利用时反技术获得多维马尔琴科方程中的反射波时反项：在放置试样的条件下，选择接收阵上的某一水听器为聚焦水听器，各发射换能器依次发射信号并记录该聚焦水听器接收到的信号，将接收到的信号时间反转并由对应的发射换能器同步发射，则水听器接收到的是时间聚焦信号，截取该时间聚焦信号在聚焦时刻前的波形作为多维马尔琴科方程中的反射波时反项；2)重构水听器到试样表面的散射波格林函数：将步骤1)中的反射波时反项代入简化后的多维马尔琴科方程得到聚焦水听器到试样表面的散射波格林函数；3)数值时反实现散射波聚焦：将步骤2)重构的散射波格林函数与步骤1)中对应水听器位置的反射波时反项卷积，通过对接收阵上所有水听器进行相同操作后将每一水听器对应的卷积结果求和，实现散射波在试样表面的聚焦，并将该聚焦波记为pr；4)反射系数测量值的计算：将步骤1)中时反发射得到的聚焦波作为入射波pi，步骤3)计算得到的聚焦波pr作为反射波，计算反射系数2.如权利要求1所述的一种基于格林函数重构技术的无源材料低频反射系数测量方法，其特征在于：所述步骤2)中，重构水听器到试样表面的散射波格林函数的过程如下：将步骤1)中得到的反射波时反项记为R(x,xR,-t)，其中粗体字母x、xR表示空间xz平面坐标点，x表示接收阵上任一水听器位置，xR表示聚焦水听器位置；由多维马尔琴科方程得到格林函...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建龙，王露露，盛志诚，马骁晨，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33