第五章 水聲無源材料聲學(xué)性能的測(cè)量

第五章水聲無源材料聲學(xué)性能的測(cè)量

一、定義

在水聲工程中為滿足不同功能要求需要采用各種材料，這些材料可分為兩大類：1、有源材料，是用來制造系統(tǒng)中起能量轉(zhuǎn)換作用的有功元件材料，如壓電材料、壓磁材料等；2、無源材料，是用來制造系統(tǒng)中除有功元件以外的所有其它輔助器件的輔助材料，包括具有吸聲、透聲、折聲、去耦和反聲等功能的材料。

二、無源材料分類隔聲材料反聲材料吸聲材料透聲材料障板耦合材料去耦材料三、聲學(xué)參數(shù)

在給定頻率和條件下，自分界面（表面）反射到入射方向的聲壓與入射聲壓之比。

1.聲壓反射系數(shù)

在給定頻率和條件下，經(jīng)過分界面的透射聲壓與入射聲壓之比。2.聲壓透射系數(shù)在給定頻率和條件下，損耗系數(shù)與透射系數(shù)之和。3.聲吸收系數(shù)

當(dāng)在聲源和接收器間插入一種無源材料或構(gòu)件時(shí)接收信號(hào)級(jí)降低的程度。4.插入損失

入射聲壓經(jīng)材料或構(gòu)件反射后的降低程度。

返回5.回聲降低

聲吸收系數(shù)、聲壓反射系數(shù)和透射系數(shù)三者之間有以下關(guān)系式：back四、參數(shù)測(cè)量方法

（一）小樣品材料聲學(xué)特性測(cè)量方法（二）大樣品材料聲學(xué)特性測(cè)量方法（三）開闊水域大面積吸聲構(gòu)件回聲降低Er的測(cè)量方法

（一）小樣品材料聲學(xué)特性測(cè)量方法脈沖管法駐波管法傳遞函數(shù)法１、脈沖管法脈沖管主要用來測(cè)定水聲無源材料的復(fù)反射系數(shù)，由此可以導(dǎo)出水聲材料的其他聲學(xué)特性參數(shù)，如聲阻抗、縱波聲速、衰件系數(shù)等，也可以用來測(cè)量插入損失IL和回聲降低Er。（１）

脈沖管測(cè)試系統(tǒng)（２）脈沖管法對(duì)設(shè)備的要求對(duì)聲管的要求對(duì)換能器的要求對(duì)電子儀器的要求對(duì)聲管的要求·管材金屬（最好為不銹鋼），彈性模量應(yīng)較大?！す鼙诤駪?yīng)大于等于內(nèi)半徑，即(b外徑，a內(nèi)徑)?！す軆?nèi)徑

根據(jù)聲波導(dǎo)理論，應(yīng)為，約為λ/4。

·管長(zhǎng)由聲波導(dǎo)理論，應(yīng)為，約為5λ.·管中應(yīng)充滿除氣、清潔的蒸餾水。

·管垂直度應(yīng)用水平儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

對(duì)換能器的要求聲功率在使用頻率范圍內(nèi)，有穩(wěn)定的聲功率輸出。輻射應(yīng)為平面波，采用平面活塞式使振動(dòng)速度軸對(duì)稱分布。安裝與剛管間有良好的聲學(xué)隔離，以減弱換能器激發(fā)管壁振動(dòng)。信號(hào)發(fā)生器頻率范圍1~100kHz，頻率穩(wěn)定度2×10-5

Hz脈沖調(diào)制器脈寬與重復(fù)頻率連續(xù)可調(diào)功率放大器輸入阻抗與換能器阻抗匹配移相器可以在0~3600內(nèi)均勻移相，精確度優(yōu)于±20衰減器量程在0~80dB范圍內(nèi)，步長(zhǎng)0.1dB示波器雙通道，可同時(shí)讀取幅度與相位，分辨率優(yōu)于0.2dB.對(duì)電子儀器的要求對(duì)樣品的要求·形狀圓柱形，平板樣品。·尺寸使樣品與聲管內(nèi)壁之間間隙＜0.2mm。·厚度

在

范圍內(nèi)，為聲波在樣品中傳播的波長(zhǎng)?！け砻?/p>

平整，厚度一致。~·一般采用不銹鋼。·厚度為測(cè)試中心頻率的四分之一波長(zhǎng)。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)反射體的要求·樣品準(zhǔn)備表面用脫脂劑仔細(xì)擦洗，待溶劑揮發(fā)后浸入水中（至少幾小時(shí)）使樣品表面充分浸潤(rùn)，樣品放入管內(nèi)時(shí)，應(yīng)避免帶入氣泡，等待數(shù)分鐘后測(cè)量?！に疁?zhǔn)備使用蒸餾水，保證管中無氣泡。（３）測(cè)量前準(zhǔn)備工作在給定的測(cè)試頻率上，分別測(cè)出放與不放樣品時(shí)換能器收到的第一次反射脈沖幅值以及相應(yīng)的相位，則有：

（４）復(fù)反射系數(shù)的測(cè)量（聲軟末端）（聲硬末端）（聲硬末端）（５）縱波聲速c和衰減系數(shù)的測(cè)量根據(jù)傳輸線理論，被測(cè)樣品從聲波入射方向看進(jìn)去的阻抗為：（聲軟末端）式中，樣品輸入阻抗；材料的衰減系數(shù)；材料的縱波聲速；樣品厚度；角頻率；材料密度。由樣品前界面的反射系數(shù)可求出樣品的輸入阻抗為:

式中，聲管中水的密度與聲速；樣品反射系數(shù)的模與相角。

如果對(duì)于聲軟末端，若設(shè)則

（聲軟末端）（聲硬末端）當(dāng)測(cè)得后，即可得出。

這樣，即可解得，進(jìn)而得到縱波聲速c和衰減系數(shù)

（6）插入損失和回聲降低的測(cè)量全反射體

樣品

收發(fā)換能器

測(cè)量時(shí)，先測(cè)出與示波器上第一個(gè)脈沖和第二個(gè)脈沖相對(duì)應(yīng)的衰減器讀數(shù)；取出樣品后再測(cè)出與示波器上第一個(gè)脈沖相對(duì)應(yīng)的衰減器讀數(shù)，則有：

２、駐波管法駐波管也是無源材料性能參量測(cè)試中常應(yīng)用的一種裝置。工作時(shí)，由管的一端換能器發(fā)射連續(xù)聲信號(hào)，被樣品反射后在管中形成駐波，采用可移動(dòng)的探針式換能器測(cè)量管中駐波參數(shù)，即可確定被測(cè)樣品的復(fù)反射系數(shù)、法向吸聲系數(shù)和法向聲阻抗率等參量。（1）駐波管法設(shè)備框圖濾波器傳聲放大器樣品探針式傳聲器揚(yáng)聲器信號(hào)發(fā)生器功放對(duì)駐波管的要求1）內(nèi)壁光滑而堅(jiān)硬，截面均勻2）圓形管，內(nèi)徑＜0.5863）矩形管，長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)＜0.5其它要求在水聲中與脈沖管近似。

（2）對(duì)測(cè)量設(shè)備的要求

在給定的頻率上，調(diào)整探針傳聲器沿管軸移動(dòng)，測(cè)出第一個(gè)和第二個(gè)聲壓極小值的位置以及聲壓的極大值和極小值，有：

（3）復(fù)反射系數(shù)的測(cè)量推導(dǎo):聲管中距離樣品x處的聲壓：而復(fù)反射系數(shù)有：所以，如果設(shè)S是駐波比則，而相位角可由第一個(gè)極小值的位置來確定：因?yàn)樗?，但是，通過測(cè)量駐波管中的波長(zhǎng)求相位角精度不高。所以，通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)極小值點(diǎn)的方法可以得到相位角。所以，

掌握用駐波管法測(cè)量吸聲材料法向吸聲系數(shù)的原理及操作方法（4）駐波管測(cè)量吸聲材料的法向吸聲系數(shù)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟捎民v波管法測(cè)量材料法向吸聲系數(shù)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備信號(hào)源、功率放大器、傳聲放大器、頻率計(jì)、探針式傳聲器、揚(yáng)聲器等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)步驟·根據(jù)被測(cè)樣品的測(cè)量頻率范圍，選擇駐波管，并按要求安裝樣品于駐波管末端且密封好；·調(diào)節(jié)信號(hào)源的輸出幅值在一固定值，并使其輸出頻率為測(cè)量頻率；·調(diào)節(jié)濾波器中心頻率對(duì)準(zhǔn)聲信號(hào)頻率；·移動(dòng)傳聲器小車將探針式傳聲器移至被測(cè)材料樣品的表面，然后慢慢移動(dòng)小車，使探針式傳聲器慢慢離開樣品表面，同時(shí)觀察傳聲放大器上的電壓表指示，找到一個(gè)聲壓極大值，再調(diào)整傳聲放大器的增益（或調(diào)節(jié)放大器輸入端電位器）使表頭指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度值，移動(dòng)小車細(xì)心找出相鄰的第一個(gè)極小值，據(jù)此可以從傳聲放大器刻度盤上直接讀取值。３傳遞函數(shù)法（雙水聽器駐波管法）水聽器12ｘ2ｘ1樣品X=0（1）采用純音激勵(lì)測(cè)量復(fù)反射系數(shù)在水聽器1和2處聲場(chǎng)聲壓為：解方程：所以，傳遞函數(shù)：（2）采用寬帶、穩(wěn)態(tài)隨機(jī)噪聲激勵(lì)注意：頻率分析、統(tǒng)計(jì)平均方法處理數(shù)據(jù)（二）自由場(chǎng)中大樣品材料

聲學(xué)特性測(cè)量方法BACK１、測(cè)量聲場(chǎng)示意圖發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)（測(cè)R時(shí)）發(fā)射器A樣品B測(cè)T時(shí)２、垂直入射情況下插入損失IL的測(cè)量測(cè)量時(shí)水聽器放在位置B。水聽器和樣品要放在發(fā)射器的遠(yuǎn)場(chǎng)，水聽器離樣品要近些，以使樣品邊緣衍射影響最小。測(cè)量時(shí)，分別測(cè)出放與不放樣品時(shí)，與透射脈沖幅值和直達(dá)脈沖幅值相對(duì)應(yīng)的衰減器讀數(shù)α和α，則有：

IL=α-αｄdTT３、非垂直入射情況下插入損失IL的測(cè)量將處于發(fā)射器和水聽器之間的樣品在其原位置上轉(zhuǎn)動(dòng)。測(cè)出在不同入射角時(shí)，與透射脈沖相對(duì)應(yīng)的衰減器讀數(shù)α(Θ)，則有：

IL(Θ)=α-α(Θ)

測(cè)量中可以采用脈沖信號(hào)，也可以用連續(xù)信號(hào)，但除低頻外，最好用脈沖信號(hào)，這樣能使干擾信號(hào)同待測(cè)信號(hào)分開，另外采用最大可能的樣品尺寸和幾何非對(duì)稱性，即用方形和矩形樣品，或者使發(fā)射器和水聽器間的軸線不通過樣品中心，這樣可將衍射干擾減至最小。

dTT將水聽器布放在樣品前面A處，水聽器不要離樣品太遠(yuǎn)。測(cè)量時(shí)，分別測(cè)出反射脈沖和直達(dá)脈沖相對(duì)應(yīng)的衰減器讀數(shù)α和α,則有：

Er=α-α+20lg[d1/(d1+2d2)]其中:d1是直達(dá)聲通過的距離；

d1+2d2為反射聲通過的距離；20lg[d1/(d1+2d2)]是球面波擴(kuò)展損失的修正值。

rd4、垂直入射情況下回聲降低Er的測(cè)量dr發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)B樣品發(fā)射器5、非垂直入射情況下回聲降低Er的測(cè)量Θ測(cè)量時(shí)，樣品不動(dòng)，在xoy平面上移動(dòng)發(fā)射器和水聽器，使入射角與反射角相等，然后在每個(gè)入射角上測(cè)出反射脈沖和直達(dá)脈沖幅值相對(duì)應(yīng)的衰減器讀數(shù)α和α，則有

Er(Θ)=α-α(Θ)+20lgd1/d2其中:d1為發(fā)射器到水聽器直達(dá)波所走路程；d2為發(fā)射器發(fā)出的入射聲波到達(dá)樣品，再由樣品反射到水聽器所走路程。TrdT6、開闊水域中大面積吸聲構(gòu)件回聲降低的測(cè)量全反射體發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)發(fā)射器水聽器樣品BB1垂直入射時(shí)測(cè)量時(shí)，將水聽器置于B點(diǎn)，吸聲構(gòu)件和全反射體組件垂直固定在支架上。首先測(cè)出吸聲構(gòu)件樣品的反射信號(hào)幅值Prs對(duì)應(yīng)的衰減器讀數(shù)α，然后轉(zhuǎn)動(dòng)樣品，使全反射體一面對(duì)準(zhǔn)發(fā)射器，再測(cè)出