一种基于矢量水听器的声学超材料声学性能测量方法技术

本发明专利技术一种基于矢量水听器的声学超材料声学性能测量方法，包括：根据矢量水听器的指向性图谱，确认所述矢量水听器的指向性并确定所述矢量水听器的布放位置；测量计算未放置声学超材料工况下，各测量位置的矢量声强；测量计算放置声学超材料工况下，各测量位置的矢量声强；计算得到声学超材料各测量位置处声强反射系数和声强透射系数，及整块试样的平均声强反射系数和平均声强透射系数；计算得到声学超材料各测量位置处声压反射系数和声压透射系数，整块试样的平均声压反射系数和平均声压透射系数。该方法适用于中低频段，在有效减小测量误差、提高测量精度的同时，降低了工程实现的复杂度，同时降低了测量实验对试样尺寸和实验空间的要求。

A measurement method of acoustic properties of acoustic metamaterials based on vector hydrophone

【技术实现步骤摘要】
一种基于矢量水听器的声学超材料声学性能测量方法
声学超材料作为一种新兴的材料，在水下结构部件声隐身应用领域中占有重要地位。为评估声学超材料试样的声学性能，实验室条件下大件样品的声学性能参数测量是一种重要的手段，本专利技术涉及材料声学性能参数测量方法领域，具体涉及一种基于矢量水听器的声学超材料声学性能测量方法。
技术介绍
在现代工业装备和产品的小型化、集成化和轻量化的大背景下，声学超材料应运而生，声学超材料因其具有特殊的亚波长尺寸结构以及异常的动态等效参数，使其能够对声波进行调制，因此通过对这种特殊结构的设计，可以实现声波的反射、吸收、滤波、导波、聚焦等物理特性和现象，在国防应用中有着重要的应用价值。敷设超材料的试样可实现声隐身，完美声隐身的定义可描述为：当任意波经过目标后，波的传播状态保持不变，就像该目标不存在于传播路径上一样，即不存在任意方向的散射。声学超材料的声学性能由放置声学超材料前后的散射声场的变化量来评估，完美的声学超材料对于声场的影响几乎为零，因此，实验室条件下可通过测量放置声学超材料前/后模型同一测量点声压(质点振速)的变化量来衡量声学超材料的声学性能，即通过测量声学超材料的反射系数、透射系数来衡量。现有的材料声学性能参数的测量方法包括空间傅里叶变换方法，宽带脉冲压缩法，时间反转聚焦方法、多通道空时逆滤波法等。有限空间环境下，混响及多径效应严重，无法实现平面波的精确分解，从而限制了空间傅里叶变换方法的应用；宽带脉冲压缩法可实现时域脉冲信号波形聚焦，但低频条件下，其单通道发射的特点导致指向性变差，衍射及混响干扰较严重；时间反转聚焦方法可实现空时聚焦，但由于其没有抵消信道幅度的影响，聚焦的时域信号脉宽受限，无法实现最优聚焦效果，不利于低频情况下回声降低的测量；多通道空时逆滤波技术没有用到接收阵及发射阵各阵元信道传递函数之间的相干信息，对于具有多个接收阵元的测量系统，没有实现最佳空时聚焦，且以上方法均存在测量算法相对复杂，计算复杂度相对较高，硬件条件要求亦相对较高。且由于声学超材料的特殊结构和特性，测量对声场环境的“纯净度”要求较高，测量中需尽可能减少声场边界导致的多径干扰问题以及有限尺寸待测试样的边界衍射问题。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的上述缺点，实现有限空间条件下，声学超材料大样测量中直达波与反射波的分离，并抑制声混响和试样边界衍射的影响，同时降低工程实现的复杂度，提高有限空间条件下声学超材料声学性能参数的测量精度，本专利技术提出一种基于矢量水听器的声学超材料声学性能测量方法，该方法应用矢量水听器可同时测量声场中某一点的声压和质点振速的特性，充分利用其相对于传统的单声压水听器所独有的空间组合指向性，在接收端实现指向性接收，降低在接收点位置处非入射方向上相干噪声、混响干扰及试样边界衍射对测量结果的影响，同时，根据其声压和质点振速的不同形式的组合，实现直达波和试样反射回波的分离。该方法适用于中低频段，在有效减小测量误差、提高测量精度的同时，降低了工程实现的复杂度，同时降低了测量实验对试样尺寸和实验空间的要求。本专利技术的技术方案是：一种基于矢量水听器的声学超材料声学性能测量方法，包括：根据矢量水听器的指向性图谱，确认所述矢量水听器的指向性并确定所述矢量水听器的布放位置；测量计算未放置声学超材料工况下，各测量位置的矢量声强；测量计算放置声学超材料工况下，各测量位置的矢量声强；计算得到声学超材料各测量位置处声强反射系数和声强透射系数，及整块试样的平均声强反射系数和平均声强透射系数；计算得到声学超材料各测量位置处声压反射系数和声压透射系数，整块试样的平均声压反射系数和平均声压透射系数。确认所述矢量水听器指向性图谱，确认所述矢量水听器的指向性并确定所述矢量水听器的布放位置包括：确认所述矢量水听器的成阵形式和布放位置，包括位于声学超材料和发射换能器之间的，用于测量反射系数的矢量阵，其位置记为rm,m＝1，2，…,M，以及位于声学超材料与发射换能器外侧的，用于测量透射系数的矢量阵，其位置记为rn,n＝1,2,…,N，M,N分别表示测量反射系数的矢量阵元数和测量透射系数的矢量阵元数；确认每个所述矢量水听器阵元的指向性，并使其组合指向性图的主瓣方向垂直于所述声学超材料表面，且指向发射换能器方位。测量计算未放置声学超材料工况下，各测量位置的矢量声强，包括：在未放置声学超材料工况下，根据矢量水听器的组合指向性特点，结合各测量位置处所述矢量水听器声压通道采集到的声压信号和各矢量通道采集到的质点振速信号，组合得到所述测量位置的组合声压信号和组合质点振速信号，并计算得到所述测量位置处的声强，未放置声学超材料工况下，所述反射系数测量位置处的组合振速信号由式(1)计算得到：所述矢量水听器的组合指向性由式(2)得到：式中，ψ为引导方位，为未放置声学超材料时第rm点位置处的声压通道采集得到的声压信号，且有θ为信号到达的水平方位角，信号法向入射时，和分别表示未放置声学超材料时x方向和y方向第m点位置处的矢量通道采集得到的质点振速信号，且有其中表示介质的特性阻抗，Φm(θ,ψ)为声压和质点振速的组合指向性函数，即为无模糊的心形指向性；i、m均为正整数；未放置声学超材料工况下，所述反射系数测量位置处的组合声压由式(3)得到：所述反射系数测量位置处声强由式(4)计算得到：式中，为第rm点位置处的组合声压信号的频域表示，为第rm点位置处的组合振速信号的频域上表示，“*”表示共轭算子,ω表示测量对应的角频率，实部为有功声强，虚部为无功声强，忽略所述无功声强；同理，根据式(1)-(4)计算得到所述透射系数测量位置处的组合质点振速组合声压和有功声强测量计算放置声学超材料工况下，各测量位置的矢量声强，包括：在放置声学超材料工况下，根据各测量位置处所述矢量水听器声压通道采集到的声压信号和各矢量通道采集到的质点振速信号，组合得到所述测量位置的组合声压信号和组合质点振速信号，并计算得到所述测量位置处的声强，放置声学超材料工况下所述反射系数测量位置处声压通道采集到的声压信号为各矢量通道采集到的质点振速信号为和则放置声学超材料后，各反射系数测量点位置处的各通道接收到的反射信号表示为：式中，为放置声学超材料工况下的组合振速，表示为：所述反射系数测量位置处声强由式(8)计算得到：式中，为第rm点位置处的组合声压信号的频域表示，为第rm点位置处的组合振速信号的频域上表示，实部为有功声强，虚部为无功声强，忽略所述无功声强；放置声学超材料工况下所述透射系数测量位置处声压通道采集到的声压信号为各矢量通道采集到的质点振速信号为和同理，根据式(6)-(8)计算得到组合振速组合声压和有功声强计算得到声学超材料各测量位置处声强反射系数和声强透射系数，及整块试样的平均声强反射系数和平均声强透射系数，包括：将放置声学超材料后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于矢量水听器的声学超材料声学性能测量方法，其特征在于，包括：/n根据矢量水听器的指向性图谱，确认所述矢量水听器的指向性并确定所述矢量水听器的布放位置；/n测量计算未放置声学超材料工况下，各测量位置的矢量声强；/n测量计算放置声学超材料工况下，各测量位置的矢量声强；/n计算得到声学超材料各测量位置处声强反射系数和声强透射系数，及整块试样的平均声强反射系数和平均声强透射系数；/n计算得到声学超材料各测量位置处声压反射系数和声压透射系数，整块试样的平均声压反射系数和平均声压透射系数。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于矢量水听器的声学超材料声学性能测量方法，其特征在于，包括：
根据矢量水听器的指向性图谱，确认所述矢量水听器的指向性并确定所述矢量水听器的布放位置；
测量计算未放置声学超材料工况下，各测量位置的矢量声强；
测量计算放置声学超材料工况下，各测量位置的矢量声强；
计算得到声学超材料各测量位置处声强反射系数和声强透射系数，及整块试样的平均声强反射系数和平均声强透射系数；
计算得到声学超材料各测量位置处声压反射系数和声压透射系数，整块试样的平均声压反射系数和平均声压透射系数。


2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，确认所述矢量水听器指向性图谱，确认所述矢量水听器的指向性并确定所述矢量水听器的布放位置包括：
确认所述矢量水听器的成阵形式和布放位置，包括位于声学超材料和发射换能器之间的，用于测量反射系数的矢量阵，其位置记为rm,m＝1，2，…,M，以及位于声学超材料与发射换能器外侧的，用于测量透射系数的矢量阵，其位置记为rn,n＝1,2,…,N，M,N分别表示测量反射系数的矢量阵元数和测量透射系数的矢量阵元数；
确认每个所述矢量水听器阵元的指向性，并使其组合指向性图的主瓣方向垂直于所述声学超材料表面，且指向发射换能器方位。


3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，测量计算未放置声学超材料工况下，各测量位置的矢量声强，包括：
在未放置声学超材料工况下，根据矢量水听器的组合指向性特点，结合各测量位置处所述矢量水听器声压通道采集到的声压信号和各矢量通道采集到的质点振速信号，组合得到所述测量位置的组合声压信号和组合质点振速信号，并计算得到所述测量位置处的声强，未放置声学超材料工况下，所述反射系数测量位置处的组合振速信号由式(1)计算得到：



所述矢量水听器的组合指向性由式(2)得到：



式中，ψ为引导方位，为未放置声学超材料时第rm点位置处的声压通道采集得到的声压信号，且有θ为信号到达的水平方位角，信号法向入射时，和分别表示未放置声学超材料时x方向和y方向第m点位置处的矢量通道采集得到的质点振速信号，且有其中表示介质的特性阻抗，Φm(θ,ψ)为声压和质点振速的组合指向性函数，即为无模糊的心形指向性；i、m均为正整数；
未放置声学超材料工况下，所述反射系数测量位置处的组合声压由式(3)得到：



所述反射系数测量位置处声强由式(4)计算得到：



式中，为第rm点位置处的组合声压信号的频域表示，为第rm点位置处的组合振速信号的频域上表示，“*”表示共轭算子,ω表示测量对应的角频率，实部为有功声强，虚部为无功声强，忽略所述无功声强；
同理，根据式(1)-(4)计算得到所述透射系数测量位置处的组合质点振速组合声压和有功声强


4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，测量计算放置声学超材料工况下，各测量位置的矢量声强，包括：
在放置声学超材料工况下，根据各测量位置处所述矢...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鋆，胡宇安，闫孝伟，崔自宪，李琦，位雪冰，
申请(专利权)人：中国船舶工业系统工程研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11