截断参量阵技术用于水声材料低频声学性能测量

易燕 张军 张权 李水 叶新隆 吴友亮（第七一五研究所，杭州，310012）

随着水声技术的不断发展，声呐装备不断朝着低频，大潜深方向发展，对配套的水声无源材料声学性能也提出了更高的要求。自然地，如何有效地评价水声材料的低频耐压声学性能也成为一个亟待解决的课题。传统的大面积水声材料试样声性能测试一般采用脉冲调制正弦信号，为了避免试样边缘衍射信号的干扰，要求试样在与声轴垂直的平面上的投影的最小长度不小于5倍的波长[1]。如对于2 kHz频率，垂直入射测试时，试样长宽尺寸必须大于等于3.75 m。这在实际测试工作中是不现实的。国内外学者做了很多努力，对传统的正弦脉冲法进行了改进，如美国USRD实验室提出了ONION法[2]和瞬态抑制法等技术[3]，法国提出了采用加权基阵声源和平面薄膜水听器的测量方法[4]。国内文献[5]报道了采用宽带脉冲压缩技术和指向性换能器基阵将试样尺寸要求减小到2倍波长，文献[6]指出设计具有一定指向性的水听器也能有效地抑制样品边缘的衍射干扰。

虽然可以通过设计指向性换能器基阵降低入射到样品边缘的声信号，从而降低试样测试频率，但超低频的指向性换能器非常笨重，尺寸惊人，操作吊挂费时费力，很不经济，它并不适用于水声材料低频测试。而参量阵则可以解决该问题。参量阵换能器具有频率低、频带宽、高指向性、无旁瓣和小尺寸的特点。本文将截断参量阵技术用于水声材料低频声学性能测量，并在Φ4000 mm×12000 mm的高压消声水池中进行了试验，测量水压：常压到4.5 MPa，测量频率：2～30 kHz，以不锈钢板作为标准试样。

1 截断参量阵设计

1.1 硬件设计

截断参量阵由高频换能器和声学滤波器组成。其工作原理是：高频换能器发出两种不同频率的高频简谐波，由于相互间的非线性作用，在高频声波的作用区产生差频波。经过声学低通滤波器后，高频原波被吸收掉，仅剩下频率较低的差频波透过声学滤波器。

截断参量阵设计的主要难点为低频和耐压。为了满足窄波束的指向性要求，高频换能器选用Φ120 mm的辐射面，选用元件的谐振频率为420 kHz。研制完成的高频换能器如图1所示，该换能器耐压6.0 MPa，测试其电声参数，谐振频率处发送电压响应级为191.23 dB，声源级为211.89 dB。换能器420 kHz指向性曲线见图 2，由图可以计算换能器发射420 kHz频率时，2θ-3dB约为 2.6°。

图1 高频换能器实物

图2 高频换能器420 kHz指向性

声学滤波器的设计首先要满足声学要求。一般要求截断参量阵的差频波频段（本系统为 2～30 kHz）插入损失<5 dB，在原波频段区域插入损失与差频波频段的插入损失之差>25 dB。此外，声学滤波器还需满足耐压条件。

系统选择橡胶、聚氨酯作为声学滤波器构件基材，选择与水失配的耐压材料作为辅助基材，组成“耐压层＋损耗层＋耐压层”的夹心复合结构，通过选择材料，调节材料厚度、层间距等因素，优化设计，使其声学性能满足要求。研制的声学滤波器尺寸为500 mm×600 mm×6 mm，该型声学滤波器插入损失试验测试结果如图3所示。

图3 声学滤波器插入损失测试结果

本系统设计的截断参量阵差频声源级如表 1所示。差频指向性如图4所示。参量阵差频为2 kHz、5 kHz、10 kHz、30 kHz时，2θ-3dB分别约为 10.5°、9.3°、7.5°、5.9°。

表1 截断参量阵差频声源级

图4 截断参量阵差频指向性

综上所述，该型参量阵较之普通的指向性换能器基阵，具有小尺寸、尖锐指向性等特点，实现了设计目标。

1.2 发射信号设计

系统采用钟形包络信号产生原频信号。采用不同频率的正弦波调制可得到不同频率的次级波，差频次级波实际上相当于原频波的解调。其信号格式与波形如下：

其中，fc为包络频率，fs为载波频率。

对于本系统，高频载波频率选择500 kHz（该频率点，换能器与功放匹配后效率最高），调制包络频率分别选择2 kHz、5 kHz、15 kHz，则经过设计的参量阵系统，水听器可以分别接收到2～4 kHz、4～10 kHz、10～30 kHz的差频宽带信号，覆盖了2～30 kHz频段。产生的差频波形信号及频谱分析结果分别见图5～图7。

图 5 参量阵发射的2～4 kHz差频信号

图 6 参量阵发射的4～10 kHz差频信号

图7 参量阵发射的10～30 kHz差频信号

2 测量系统

2.1 系统构成

用截断参量阵技术进行水声材料声性能的测试试验在杭州应用声学研究所Φ4000 mm×12000 mm的高压消声水池中进行。高压消声水池能变温变压，可模拟深海环境。试验系统组成如图8所示。在计算机控制下，信号发生器作为信号源，输出钟形包络高频信号到大功率放大器，驱动参量阵高频换能器，辐射高声强声波，在声学滤波器前水域产生非线性作用，形成差频声波，透过声学滤波器作为试样的测量入射信号，试样板前后的水听器接收直达信号和板的反射、透射信号到前置放大器，经调理后输入信号采集分析系统，经声学计算得到试样板的反射系数（回声降低）、透射系数（插入损失）以及吸声系数。

图8 试验系统组成原理框图

2.2 测量原理和过程

2.2.1 声压反射系数（回声降低）的计算

反射测量水听器1布放在能将直达信号和反射信号能在时域上隔开的位置，采集直达信号pi(t)和样品反射信号pr(t)。由式（2）和（3）计算得到测量频率范围内材料样品的反射系数R(f)和回声降低ER。其中L为参量阵有效声中心到样品的距离，d为反射测量水听器到样品的距离。

2.2.2 声压透射系数（插入损失）的计算

由反射测量水听器 1采集直达信号pi(t)，经距离修正及两个水听器接收灵敏度的修正，获取透射测量水听器处参考信号pi'(t)。由透射测量水听器2采集样品的透射信号pτ(t)，由式（4）和（5），计算得到测量频率范围内材料样品的透射系数T(f)和插入损失IL。其中为K(f)为修正因子。

2.2.3 吸声系数的计算

由上述计算得到的声压反射系数R(f)和声压透射系数T(f)f，用式（6）计算吸声系数。

3 测量结果

我们选择尺寸为1000 mm×1000 mm×6 mm的不锈钢板作为试样，分别在常压对声压透射系数进行测试；在常压、0.5 Mpa、1 Mpa、2 Mpa、3 Mpa、4.5 Mpa压力下，对试样的声压反射系数进行测试。

测试结果和理论计算结果进行对比（如图 9～图10）。透射系数实测结果与理论结果吻合得很好，在低频段稍有波动，主要是因为低频段参量阵的指向性比高频宽，样品边缘的衍射信号不能有效隔离。反射系数实测结果与理论结果吻合得也较好，高频段波动较大，主要是因为测试使用的水听器尺寸为Φ20 mm，对高频信号有阻挡作用，进而影响了测试结果。此外，不锈钢板的声学性能基本不随压力的变化而变化，符合实际规律。总之，测量结果和理论值吻合得很好，说明截断参量阵技术用于水声材料声学性能测量的可行性。

图9 常压下不锈钢板透射系数测量和理论计算结果

图10 不同压力下不锈钢板反射系数测量和理论计算结果

4 结论

虽然截断参量阵是通过牺牲声源级来达到小尺寸、低频尖锐指向性的目的，但对于声压相对测试（如水声材料反声、透声性能测试），只要达到-20 dB的信噪比，适当降低声源级并不会对测试结果产生影响。本文的试验结果也充分说明了截断参量阵技术适用于大面积水声材料性能低频测试，且优势明显。

[1] 李水,罗马奇,赵洪,等. GB/T 14369—2011 声学 水声材料样品插入损失、回声降低和吸声系数的测量方法[S].北京:中国标准出版社, 2012.

[2] PIQUETTE J C. The ONION method: A reflection coefficient measurement technique for thick underwater acoustic panels[J]. JASA, 85(3): 1029-1040P.

[3] PIQUETTE J C. Some new techniques for panel measurements[J]. JASA,95(6): 3227-3236.

[4] AUDOLY C, GIANGRECO C. Improvement of the measurement of the transmission coefficient of panels at normal incidence using surface receivers[J]. Acoustique,1990(3):369-379.

[5] 李水, 缪荣兴. 水声材料性能的自由场宽带压缩脉冲叠加法测量[J]. 声学学报, 2000,(5).

[6] 易燕,李水,罗马奇,等. 水声材料大样反射系数测量中不同测量方法的特点比较[J]. 声学与电子工程, 2009, (3).