一种脉冲管测量水声材料斜入射发射特性的方法技术

本发明专利技术提出了一种脉冲声管测量水声材料斜入射反射特性的方法，用于测量1kHz～20kHz频率范围内，小样品水声材料的斜入射反射系数。在脉冲法测量水声材料反射系数的基础上，通过改变样品形状、引入修正值及其推导公式，达到使用小样品测量水声材料斜入射反射系数的目的。为水声材料研究发展提供测量服务，提高相关技术的研究效率，促进行业发展，为我国水声工程建设提供保障。水声工程建设提供保障。水声工程建设提供保障。

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲管测量水声材料斜入射发射特性的方法


[0001]本专利技术属于声学(水声)领域，主要是一种脉冲管测量水声材料斜入射发射特性的方法。

技术介绍

[0002]水声材料在民用、军用领域均有着十分重要的应用。以水声材料为原料的消声尖劈、消声瓦、透声窗等水声构件在消声水池建造、潜艇声隐身技术研究、声纳设备研制等领域均有着重要运用。水声材料的性能会直接影响水声构件的性能指标，因此正确、全面的评价水声材料有助于水声技术的发展。反射特性一直是评价水声材料性能的主要因素之一，拓展水声材料反射特性的评价指标对指导与水声材料相关的研究有着重要意义。
[0003]在水声材料性能的评价体系中，对水声材料的反射特性研究一直在声波从材料表面法线方向入射(后文简称为“正入射”，非法线方向称为“斜入射”)的前提上开展。由于初期水声材料样品多以单质平板、木板、橡胶板等结构简单的材料为主，其正入射与斜入射的反射特性有着明确的相关性。已知正入射情况下水声材料的反射特性，可以通过介质层反射公式推算其斜入射反射特性。对水声材料斜入射反射特性测量方法的需求不高，所以国内一直没有开展相关研究。
[0004]然而，随着水声技术的发展，为了满足当前民用、军用领域对水声材料越来越高的性能要求，水声材料的设计中开始出现复杂的内部结构。在这种情况下，水声材料正入射与斜入射的反射特性间关系不再遵循一般规律，其斜入射反射特性无法依据正入射反射特性计算得到，对水声材料斜入射反射特性的测量需求便随之产生。
[0005]为了测量水声材料斜入射反射特性，杭州应用声学研究所的易燕等人提出了基于声全息技术的水声材料斜入射反射特性测量方法，并运用于实际，成功拓展了水声材料反射特性的评价指标。但在使用该方法进行测量时，需使用水听器阵，测量装置较为复杂；被测样品的尺寸会限制测量装置的工作频率下限，若想要测量2kHz的反射特性，样品的最小几何尺寸不应小于2m。
[0006]大样品测量不利于控制材料的研发成本；准备大尺寸样品的时间较长会延长新材料的研究周期。为了提高水声材料的研究效率，拓展测量频率，需要相应的低频范围内通过小样品测量水声材料斜入射反射特性的方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种脉冲管测量水声材料斜入射发射特性的方法。
[0008]本专利技术的目的是通过如下技术方案来完成的。一种脉冲管测量水声材料斜入射发射特性的方法，该方法包括如下步骤：
[0009]1)、在脉冲声管底部布置一个收发合置的换能器，将被测水声材料按照要求进行加工成水声材料样品，水声材料样品外形为圆柱体的一部分，圆柱体的直径与脉冲声管的
内径相同，水声材料样品的上下底面为形状相同的椭圆形且互相平行；
[0010]2)、将水声材料样品放入脉冲声管中；
[0011]3)、调整水声材料样品在声管中的位置，使直达波、反射波、二次透射波分离；
[0012]4)、测量直达波、反射波的信号幅值；
[0013]5)、根据如下公式计算修正因子；
[0014]修正管中能量衰减现象的修正因子的表达式为：
[0015][0016]式中s代表声管的横截面；
[0017]6)、最后根据如下公式计算水声材料样品(2)斜入射反射系数；
[0018][0019]式中R(f0,θ)是频率为f0，声波斜入射角度为θ时样品的声压反射系数，a
s
为管中能量衰减系数，其中R
m
由声管测量获取，只要知道了a
s
(f0,θ)的值便得出频率为f0、声波斜入射角度为θ时样品的声压反射系数。
[0020]本专利技术的有益效果为：用于测量1kHz～20kHz频率范围内，小样品水声材料的斜入射反射系数。在脉冲法测量水声材料反射系数的基础上，通过改变样品形状、引入修正值及其推导公式，达到使用小样品测量水声材料斜入射反射系数的目的。为水声材料研究发展提供测量服务，提高相关技术的研究效率，促进行业发展，为我国水声工程建设提供保障。
附图说明
[0021]图1脉冲管中测量样品声性能原理图。
[0022]图2斜入射水声材料制备。
[0023]图3入射平面波遇斜入射试样后，反射波慢慢修正为沿声管轴线传播的平面波。
[0024]附图标记说明：换能器1，水声材料样品2、水
‑
空气界面3、脉冲声管4。
具体实施方式
[0025]下面将结合附图对本专利技术做详细的介绍：
[0026]在三维空间中，声波方程的一般表达形式为：
[0027]ΔP
‑
k2P＝0
ꢀꢀ
(1)
[0028]式中，常数k表示波数。
[0029]而现今的管中测量一般使用的是圆管，因此为了方便计算，我们将声波方程用柱坐标表示：
[0030][0031]而后我们以分离变量形式的
[0032][0033]带入(2)而后分离变量，即可得到三个方程：
[0034][0035][0036][0037]式中，P在方向分布的节点个数为2
×
m(m＝1,2,3
……
)个；k
z
表示P在z轴方向传播的波数。若我们将管壁视为刚性材料，管内半径为ρ0，且在z轴方向声波只沿着z轴正方向传播没有反射波。则将方程(4)(5)和(6)的解带入表达式(3)可以得出管中声波传播的最终表达式：
[0038][0039]式中，J
m
表示m阶贝塞尔函数；k
mn
是第n个满足的值，而在管中传播的声波的模态(m，n)的表达式为且k
mn
与k
zmn
的关系为：
[0040][0041]这里，k
mn
可以看成是声波的波数在声管任意与声管中心轴垂直的横截面上的投影，k
zmn
则是声波的波数在声管中心轴上的投影。若我们用θ
mn
来表示波数k与声管中心轴正方向所成的角度，则可以得到即每一种模态的声波都有唯一与其对应的传播角度。由于m和n皆为正整数，那么我们可以将表达式(7)表示的任意波型声波的传播看成是几个波数相同，均为k，且以特定角度θ
mn
在声管中传播的平面波的叠加。
[0042]当kρ0<1.83时(1.83是除了0以外第一个满足的值，可以在贝塞尔函数表中查阅)，除去k
01
以外，所有k
mn
均大于k值，其对应的k
zmn
都为纯虚数，
‑
ik
zmn
为小于0的纯实数，易得其对应模态声波的幅值随传播距离z的增加而降低。而k
01
所对应的声波模态为平面波。
[0043]当kρ0<1.83时，所有在管中传播的非平面波振幅都会随传播距离的增加而衰减并使在声管中传播的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脉冲管测量水声材料斜入射发射特性的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：1)、在脉冲声管(4)底部布置一个收发合置的换能器(1)，将被测水声材料按照要求进行加工成水声材料样品(2)，水声材料样品(2)外形为圆柱体的一部分，圆柱体的直径与脉冲声管(4)的内径相同，水声材料样品(2)的上下底面为形状相同的椭圆形且互相平行；2)、将水声材料样品(2)放入脉冲声管(4)中；3)、调整水声材料样品(2)在声管中的位置，使直达波、反射波、二次透射波分离；4)、测量直达波、反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：佟昊阳，易燕，李水，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：