船用板材自由场声学测量试验方法

董云龙，梅志远

(海军工程大学 舰船与海洋学院，湖北 武汉 430033)

0 引 言

舰艇结构中包含很多反声、透声和吸声性能结构，如导流罩、围壳和消声瓦、声障板等，其声学性能是随频率、水温和静水压变化的，所以在舰船结构设计中获得样品结构的声学特性非常重要。进行水下材料声学性能测试，不仅为材料研制提供设计参考，而且能为其应用提供评估依据。对于其声学性能的测量，主要有声管试验和自由场测量试验。水声材料自由场测量主要在开阔水域或室内消声水池测量，与户外大型水域相比，室内消声水池设备具有地点合适和环境可控等优点，较为方便且成本更低，便于操作。

对于水声材料和结构的声学特性测量，有学者进行了相关的研究。商德江等[1]利用半空间全息变换技术，建立了完整的半空间全息法测量系统。通过试验研究了声场几何参数对反演结果的影响。测量结果与理论值吻合较好。但是这种方法对水听器要求较高，需要足够数目的水听器，操作起来较为复杂。何祥铺等[2]通过水下声强测量技术研究水下结构体声辐射特性和鉴别其噪声源，其实现方法是根据双水听器声压互谱法理论，对水下结构体进行近场噪声测量。李水等[3-4]为解决大面积水声材料性能测量中的各种问题，进行了多项研究。

本试验的背景基于舰艇导流罩和上层建筑围壳的材料选型，这些结构具有结构和声学2种性能要求，因此在前期材料选型和结构设计需要大量的试验。因此，完善消声水池测量样品声学性能的方法，能够对船用材料结构的声学性能进行验证和预报，对舰艇结构设计具有一定意义。

1 测量系统

试验在海军工程大学电子工程学院水声重点试验室消声水池中进行，试验采用脉冲信号测量试件的声学性能，试验测试状态及系统组成框图如图1所示。

图1 试验测试系统Fig.1 Experimental testing system

消声水池的尺度为 10 m×6 m×5 m，水池的池壁以及水面都覆盖吸声尖劈，理想状态下形成六面消声。水池上有2组桁车，可以悬挂发射换能器和试验样品，声源为试验室的标准声源，配合信号发生器和功放可以发射各种波形的连续或脉冲信号。水听器为B&K标准水听器，用于接收声压信号。将仪器按照系统所示的顺序连接，排除接触不良问题，静置备用。

2 自由场测量

在水池中进行第一次测量时，应该对水池的声场特性进行测量，便于后续的误差分析。对于水池声学测量，首先应该建立平面波声场，自由场中发射换能器辐射声场的远场可看成近似的平面波声场；其次，测量结果必须正确反映材料本身的声学特性，就好象被测材料样品是无限大一样，故测量中要尽量减少样品边缘衍射的干扰。为了同时能满足上述2项基本要求，首先进行了试验场的测定，对声源和尺寸大小不同的试件进行了标定测量。

在均匀而各向同性的介质中，边界影响可以不计时的声场称为自由场。自由场中远场的声波可以近似为平面波声场，规范中规定的平面波远场条件为：

式中：d为发射器与水听器之间的距离；a1，a2为发射器和水听器的最大几何尺寸； λ 与最高频率相对应的水中波长。

对于图1所示的测量系统，待测区域声场是否满足自由场的测量，主要进行了基于文献[6]中关于水下电声参数的测量中的试验验证，并对待测区域验证自由场是否满足球面波声场。对于球面波声场，声压值与距离成反比，在测量位置的一条直线上不同距离的测点测出的声压值变化。试验将发射换能器和水听器悬吊至同等深度进行测量，每种状态测量3次取平均值，将得到的数据利用最小二乘法拟合，若得出的曲线斜率近似为-1，则验证了该发射换能器在水池的声场为球面波声场。

试验选取图2所示区域的声场进行测量，发射换能器的坐标为（4 000，3 000，2000），测点O与发射源在同一水平面上，相距2000 mm，待测区域为1 000×1 000 mm 的平面，O点距离水平面为 2000 mm，测点布置如图2所示，测量结果见表1。

图2 自由场测量区域Fig.2 Experimental apparatus

表1 自由场测量结果Tab.1 Results of Free field measurement

将测得的声压值做对数处理并拟合，并与标准球面波的对数曲线进行比较，如图3所示。对无试件的声场进行分析可以看出，在各个频率的测量结果中，声压值和距离的对数都是成反比的，与球面波的变化趋势一致，可以验证为球面波。

在发射换能器距离被测试件的测试距离达到2000 mm时，基本满足近似平面波的条件，可以看成平面波，如图4所示，此时满足了自由场平面波声场的条件。

3 钢板试件验证

对自由场测量结束后，在此基础上进行钢板模型的测量。钢板的大小为 720×720 mm 和 1 000×1 000 mm，厚度均为 8 mm。

图3 不同频率下声波扩展规律Fig.3 Acoustic wave propagation at different frequencies

图4 2 000 mm 时的声传递示意图Fig.4 Schematic diagram of sound transmission at 2 000 mm

在测试开始前，模型表层应擦拭干净，以避免表面不平整放在水中浸泡（时间约3 h），使其表面充分浸润，温度达到平衡方可测试，并记录测试温度。本测量装置采用了脉冲信号测量，发射器发射一宽带脉冲信号，在声轴方向上垂直插入样品，位于声轴方向的水听器1和水听器2分别测试直达声和透射声的声波。通过测量软件和Matlab进行DFT处理得到相对应的声压幅值频谱，求得样品的声压透射系数。

试验结果如图6所示，试验结果与理论公式的趋势基本一致，试件的尺寸越大，测量结果越接近理论值，720×720 mm 的试件误差为 6.4%，1 000×1 000 mm的试件测量误差约为2.3%。试验结果与理论值计算结果较为符合。

4 船用材料结构测量

图5 声场测试示意图Fig.5 Sound field test schematic diagram

图6 声压透射系数测试结果Fig.6 Test results of sound pressure transmission coefficient

在之前的研究中，通过标准钢板试件验证了试验的有效性，下面通过某船用复合材料夹层结构进行实际测量。第1种夹层结构的设计目标是轻质的低透声结构，具有较好的隔声效果。该夹层结构的材料以及结构参数如表2所示。

测试结果如图7所示。

表2 试件的材料参数Tab.2 Material parameters of the specimen

图7 透射系数测试结果Fig.7 Test results of sound pressure transmission coefficient

该试件的测量结果表明，实验结果与理论值吻合的较好；试件的整体透声系数较小，具有一定的隔声效果，在7 000 Hz左右存在透声系数的峰值，此时由于谐振效应，透声性提高；在 2000～6 000 Hz 与 10 000 Hz以上，试件的隔声性能好，满足预期要求。

5 不确定度分析

A类不确定度用统计方法评定。

在进行消声水池自由场测量时，用一无指向性水听器在距离d处独立测量6次的水听器输出电压。

6次测量结果的标准偏差为：

sp=，即为A类不确定度。

B类不确定度是对校准系统的影响进行修正，取k=3。

1）采集器的最大允许误差由于0.1%，按均匀分布，测量仪器引入的B类不确定度为：

2）钢卷尺的最大允许误差为1%，按均匀分布，钢卷尺引入的不确定度为：

3）功率放大器按均匀分布引入的B类不确定度为：

4）水听器不稳定性按照均匀分布引入的B类不确定度为：

5）测量放大器按照均匀分布引入的B类不确定度为：

则B类的合成不确定度为：

6 结 语

本文对船用材料水下透声性能的测量方法进行验证，得出了以下结论：

1）通过钢板试验对水池试验测量方法进行了完整的分析和实际测量，通过测量，能够为材料选型方案提供结果支撑，便于分析其性能是否满足使用需求。

2）对2种不同大小的钢板的测量结果显示，样品的尺度对测量结果也有一定的影响，分析可能由于边缘衍射造成了测量误差；

3）试验摸清了水下自由场测量的一般方法，根据对测量结果的分析，试验具有有效性和可行性；

4）通过选取实际船用声学材料，表明实验方法具有一定的使用性，能较好的用于船用结构板材的大样品声学性能测量，具有一定的工程意义。