水声材料声学参数及其声管测量方法

陈建平，何元安，黄爱根



水声材料声学参数及其声管测量方法

陈建平，何元安，黄爱根

(中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094)

简要阐述了水声材料产品研制过程中水声材料及其声学参数测量的重要意义和存在的问题，详细论述了水声材料声学参数分类及相应的测量方式，归纳了脉冲法、驻波法和行波法声管各自的测量原理和适用的条件，以及声管测量技术的发展趋势，最后总结了通过声管测量水声材料声学参数时，对测量声管和被测量样品的一般要求。

水声材料；声学参数；声管；测量方法

0 引言

水中声波的产生、传播和检测都离不开声波传播的介质——水声材料。因此，对水声材料声学参数的测量是水声学研究的基础和关键。在设计、制造和使用水声材料时，都离不开对水声材料声学性能参数的测量，通过测量其声学性能参数来标定其性能及使用价值，并通过测量来统一表征其基本性能参数的量值[1]。

实验室中水声材料声学性能参数测量，大多通过水声声管测量系统来完成。因为在水声领域关注的频段，其它测量方法按照理论和工程实际要求存在样品尺寸大，测量条件难以达到，或者测量代价太高等问题。而声管测量，以小样品的测量来近似横向无限大(10个波长以上)样品的测量结果[2]，还可实现加压测量，模拟深水的静水压力环境条件。

半个多世纪来，水声技术的应用前景日益广阔，水声材料成为研究热点，人们纷纷采用声管法来测量水声材料的声学参数和声吸收、声反射性能。但是，可以注意到，某些声管测量系统在测量水声材料的不同声学参数过程中，没有明确、统一的测量要求，测量结果无法统一和对比，有的测量只关心测量结果数值的大小，不说明参数的测量条件。上述水声材料声学参数测量中的欠规范、欠准确、欠科学性的现象，轻则造成水声材料研究筛选过程中的误判，重则导致由水声材料构造的产品达不到预期的使用效果，甚至产品功能失效。

综上所述，对于水声材料的声学参数及其物理意义，以及水声材料声管测量方法和测量条件，有必要予以厘清和说明。本文将就水声材料声学参数、声管测量技术发展趋势、声管测量水声材料参数要求等几个方面进行简要论述。希望通过正确地掌握、使用声管测量水声材料构件声学参数的方法，使声管测量结果能够科学、客观地反映水声材料构件的声学性能，为水声材料研究和测量技术的更好、更快发展提供坚实基础。

1 水声材料声学参数概述

应用于水声领域中，满足某种特定声学功能要求的材料，包括含有一定声学结构的声学材料统称为水声材料。在水声工程中，经常需要某种材料具有吸声、透声或反声等功能特性。为了更好地实现这些声学功能，除了材料本身设计成具有某些性能外，如压电特性、粘弹特性等，还往往在材料中加入一些空腔或微粒等声学结构[1]。

水声材料可分为有源水声材料和无源水声材料。有源水声材料是指通过施加特定电流或电压等外源条件来实现某种特定声学功能的材料，而无源水声材料是不需要施加任何电流或电压等外源条件即具有特定声学功能的材料。由于有源水声材料的声学功能特性参数与外源条件密切相关，其测量方法和条件需视其具体外源条件要求而定，所以本文的论述主要针对具有一般测量方法和条件的无源水声材料。

与一般材料参数测量相同，水声材料参数测量也包括材料特征参数测量和材料构件功能参数测量。材料特征参数是表征材料本身固有特性，这类参数只取决于材料内部的组成和结构，与材料的尺寸和形状无关，如材料的密度、特性阻抗和材料声速等。材料构件功能参数表征材料或构件实物功能特性的参数，这类参数不仅与构件材料的内部组织和结构有关外，还与构件的厚度、形状和安装固定方式等使用条件有关[1]。

按照研究阶段及测量条件的不同，材料构件功能参数测量可以进一步细分为：在构件研究阶段实验室标准条件下的构件功能参数测量，如材料产品等效密度、声压反射系数、声压透射系数和吸声系数等；在产品应用阶段实际使用条件下的实际产品功能参数测量，如材料产品质量、输入阻抗和目标强度降低等[1]。

材料特征参数、构件功能参数和产品功能参数三者在产品设计研究周期中的相互关系如图1所示。

三类参数中，材料特征参数是最基础的，测量方法也是最通用的，一般参照通用的材料参数测量规范和标准即可完成测量，如万能材料试验机的测量。产品功能参数是最终效果的表征，测量方法也是最复杂的，需要根据产品实际应用环境条件来制定具体详细的测量方案，如减振降噪材料对舰船辐射声源级降低的测量。构件功能参数介于两者之间，是在相对简化条件下获得产品功能的效果表征，实验室测量一般都只能获得这类参数，声管测量水声材料声学功能参数也属于这一类测量。下面将着重讨论声管测量获取的水声材料构件功能声学参数的物理意义及其测量条件。

如上所述，作为水声材料构件，人们将主要关心构件声学功能参数。如图2所示，声波入射到水声材料表面时，入射声能的一部分被反射，表示为，一部分声能被透射，表示为，另一部分声能被水声材料所吸收，表示为[3]。

被吸收部分的声波能量所占入射声波总能量的比率，通常成为水声材料构件的吸声系数，表示为。

对于平面声波，有：

(2)

(4)

式中：

(6)

根据上面的推导，水声材料构件声学功能参数测量的基础参数只有入射声压、反射声压和透射声压，其它如声压反射系数、声压透射系数、吸声系数、插入损失等声学功能参数都是通过这三个基本声学参数推导换算而来的[2-4]。

2 声管测量方法评述

根据上面的论述，声管测量技术都是围绕如何测量并分离出声管中传播的入射声压、反射声压和透射声压，如图3所示。根据测量和分离声波信号的方法不同，声管测量方法分为驻波法、脉冲法和行波法。

驻波法声管测量过程中，发声器连续发射单频声波，这样入射声波和反射声波在声管的发声器与样品之间形成平面驻波声场。早期的驻波比法是在声管中布置一个可以沿管轴移动的传声器(如图4所示)，测量驻波声场两个相邻的声压极大值和极小值，以及它们的位置距离，通过驻波比和由公式(7)得到反射系数，所以又称为驻波比法[5-8]。

(7)

驻波比法测量操作简单、方便，但在加压环境下可移动传声器密封安装很困难。于是，一种不需要移动传声器、适合于加压条件下的自动测量方法应运而生。如图5所示，该方法预先在声管中安装两个位置固定的传声器，将两个传声器测量到的声波信号通过传递函数实现入射声波和反射声波信号的分离，并计算出样品的声压反射系数：

随着测量电子设备和计算机控制技术的进步，可以实现精确控制电子设备发射或接收声波信号的起止时间，就有了脉冲法声管测量技术。如图6所示，脉冲法的测量原理就是控制发声器发射声波的脉冲时间长度，使声管中的入射声波、反射声波和透射声波在传播时间上分开，从而实现分别直接测量这三个声波的声压值，测量结果如图7所示[12,13]。

由于脉冲法是分别直接测量三个声波的声压值，所以它是一种经典、可靠的声管测量方法。但由于该方法对测量脉冲时间长度有一定的要求，这就对声管长度提出了较高的要求，特别是低频时(1 kHz以下)难以通过脉冲法来实现。

如果能有一种方法让水声管测量像空气声管一样，透射声波在声管另一端不形成反射，就可以在水声管中通过借鉴驻波法低频测量的优点，这种声管测量方法就是行波法。如图8所示，发声器连续发射声波，在声管下半段中入射声波和反射声波形成驻波声场，在声管上半段由于吸声器的作用只有透射声波传播，从而形成行波声场，实现三个声波声压的测量。

式中：为1、2号水听器之中心(定义为坐标原点)与3、4号水听器之中心的距离，其它符号与传递函数法中定义相同[14,15]。

虽然行波法不受声管长度和测量低频的限制，测量频率可以低至几十赫兹，能够很好地满足水声材料构件低频声学参数测量的需要。但要使透射声波在声管内不反射也是很难实现的技术要求。以前人们一般使用吸声尖劈等，但在低频时面临吸声尖劈尺寸太长的难题。近年来，随着计算机控制技术的提高，趋向于在声管透射声波一端安装主动吸声的有源吸声换能器，这种方法对水听器、换能器等设备的电声响应灵敏度及其位置加工精度等都有很高的要求，特别是随着测量频率的升高，测量的不确定度也会逐渐加大。目前，行波法的测量精度和可靠性处于持续改进阶段，离满足工程测量的可靠性要求还有一定的差距[16]。

总结声管测量方法的发展历程，有以下发展趋势：

声管测量声波信号及测量结果的数据采集和处理由手动测量记录方式向计算机控制自动化测量和数据处理方向发展，测量的频率由单频点扫频测量向宽频测量发展，从而提高声管测量效率；

近年来，声管测量技术的发展围绕解决低频(1 kHz以下)测量问题，以满足水声材料低频测量的工程需求。为此，出现了主动控制有源消声行波测量声管，但该方法在测量精度和可靠性方面还有待进一步的研究改进，才能广泛地应用于水声材料的研究工程中。

3 声管测量水声材料参数的一般要求

水声材料声学功能参数，都是在平面波声场的条件下定义的[2]。因为，只有在平面波声场条件下，才能去除由于声场传播空间发散而引起的入射、反射或透射声场声压值的变化，测量到由于水声材料构件自身声学功能引起的声场变化，从而得到水声材料构件的声学功能参数。

在实验室中建立起平面波声场的简便方法就是声波在波导管中传播，这种波导管简称为声管。为保证声管中传播的声波只有平面波，还必须满足传播的声波频率低于声管的截止频率。与声管中介质的声速和声管的半径有关，其关系式为[2]

如果发射声波的声源是对称发射，则截止频率可以提高到

(11)

声管测量，还要求声管管壁为刚性的边界条件。对于水声材料测量用的不锈钢水声管，一般要求声管管壁厚度不小于其内半径[17]。

上述对测量声管的要求为人们所熟知，然而容易被人们忽略的是对被测量水声材料样品的要求。水声声管测量的样品应为与水的声特性阻抗相近的材料，如橡胶、塑料类，而不能为金属、岩石等与水的声阻抗严重失配的材料样品。因为与水的声阻抗严重失配的金属等材料样品，其反射和透射等与样品在声管中的安装方式等密切相关，其测量结果具有很大的不确定性[18,19]。而且，为了使声管测量结果只反映水声材料本身的声学特性，被测量样品应是水声材料构件产品本身，而不应含有其它附属的结构件[18,19]。

4 总结

归纳以上所述内容，可以获得如下几方面的共识：

(1) 声管声学参数测量属于实验室产品阶段声学功能参数的测量，通过声管测量得到的声学功能参数与实际应用条件下的声学功能参数的测量方法和条件完全不同，声管测量结果仅适用产品研发阶段的声学性能评价；

(2) 声管测量方法分为驻波法、脉冲法和行波法，它们的测量频率和适用条件各不相同，相互补充。近年来，声管测量技术的发展趋势是通过主动有源消声的行波法解决水声材料低频(1 kHz以下)测量的需求，但在测量精度和可靠性方面还有待改进提高；

(3) 水声材料声学功能参数声管测量，最易被忽视的是对被测量样品的要求。水声声管测量的样品必须是声特性阻抗应与水相近的材料类样品，而不能是严重失配的材料样品，测量样品还不应含有其它附属构件等。

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Summarization of acoustic parameters of underwater materials and the acoustic tube measurement method

CHEN Jian-ping, HE Yuan-an, HUANG Ai-gen

(System Engineering Research Institute, China State Shipbuilding Corporation, Beijing 100094, China)

The significance of underwater materials and measurement of acoustic parameters in the design process of underwater acoustic products are briefly explained. The existing problems of acoustic tube measurement are also mentioned. The types underwater acoustic parameters and the corresponding measurement ways for them are discussed in detail. Then the theory and application contition of acoustic tube measurement methods, including impulse wave, standing wave and traveling wave method, are analyzed respectively. The trends of the acoustic tube measurement method are summarized also. The general requirements for acoustical tube and measuring samples，which must be satisfied in the measurement, are described in this paper.

underwater material; acoustical parameters; acoustical tube; measurement method

TB533

A

1000-3630(2015)-02-0109-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.02.002

2014-03-07;

2014-07-21

陈建平(1973－), 男, 四川遂宁人, 高级工程师, 研究方向为舰船声隐身材料声学设计。

陈建平, E-mail: chenjamping@sina.com