聲壓-距離法模擬聲場的條件

聲壓-距離法模擬聲場的條件

1消聲水池消聲性能檢測方法消聲池將消聲器連接到整個池的所有表面，使池的池壁、底部和水面對入射聲沒有反射，并模擬一個無反射的寬闊水域的聲場條件。然而沒有反射是不可能的,因為現(xiàn)有的消聲器不能吸收全部入射聲能,大多數(shù)消聲器只能部分地有效吸收聲能,特別是在低頻,它對單次反射只能部分衰減而不能消除。因為消聲水池中的連續(xù)波聲場是有起伏的,低頻比高頻的駐波比大,水面反射比其它壁的反射大,因此消聲水池也不能模擬無限大水域,只有消聲水池中自由場區(qū)域能滿足水聲換能器測量的遠場條件時,才能用連續(xù)信號進行測量。否則,應該用脈沖聲技術(shù)避開水池面壁的反射以滿足自由場遠場條件。有關(guān)評定消聲水池消聲性能的檢測方法大體上有兩種,一種是相對聲壓-距離法,另一種方法是轉(zhuǎn)移阻抗法。本文僅對相對聲壓-距離法進行描述。2方法原理2.1消聲水池聲場為便于了解消聲水池中聲場起伏與水池尺寸和消聲器件性能的關(guān)系,下面建立一個能描述消聲水池中聲場的數(shù)學模式。假設(shè)消聲水池是矩形六面體,如圖1所示。水池長L,寬W,深H。設(shè)A為點狀發(fā)射器,B為點狀接收器,以水平中心對稱地處于水池的左右兩側(cè),相互間的距離為d,距寬度方向一個側(cè)面的距離為x。離水面的距離為D。如不考慮水池6個界面的二次反射,點接收器B在點發(fā)射器A發(fā)出聲信號后將先后接收到7個來自不同聲程的聲信號。它們分別是(1)直達聲,聲程為d;(2)水面反射聲,聲程為d2=2[(d/2)2+D2]1/2;(3)水底反射聲,聲程為d3=2[(d/2)2+(H–D)2]1/2;(4)、(5)水池兩個端面反射聲,聲程為d4=d5=L;(6)水池一個側(cè)面的反射聲,聲程為d6=2[(d/2)2+x2]1/2;(7)水池另一側(cè)面的反射聲,聲程為d7=2[(d/2)2+(W–x)2]1/2。點接收器B處的總聲壓應是這7個聲信號之和式中,d為直達聲程,di為不同反射聲程,Ri為各反射面的反射系數(shù),pA為聲源輻射聲壓,p0為直達波聲壓,pi為不同反射面來的反射波,k為聲波波數(shù)。其中從式(1)可以看出,只要水池中各個反射面上敷設(shè)的消聲器件不能吸收全部入射聲能,實際聲場就如式(1)所描述的那樣在自由場衰減曲線上起伏,這種偏離自由場曲線的起伏程度就是衡量消聲水池聲學質(zhì)量優(yōu)劣的依據(jù),偏離越小越好。如果水池的尺寸很大,則起伏項對水池中心處聲場的貢獻很小。2.2離的衰減曲線的運用評定消聲水池的消聲性能時,通過改變接收水聽器和發(fā)射器之間的距離,測量聲壓隨距離的衰減曲線,比較它與理論衰減曲線的偏離程度。具體實施時,應使發(fā)射器和水聽器之間的距離連續(xù)變化,并在距離變化過程中保持發(fā)射聲信號不變。水聽器的開路電壓經(jīng)線性放大和濾波后,得到聲壓幅值,再進行對數(shù)轉(zhuǎn)換,從而得到相對聲壓隨距離的變化曲線。3消聲水池測量的測量方案相對聲壓-距離法測量裝置的組成框圖如圖2所示。對聲場檢測時,使發(fā)射器的激勵電壓保持恒定,一端的步進馬達驅(qū)動鋼絲繩,帶動發(fā)射器和水聽器連續(xù)反向運動,另一端的鋼絲繩帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。由光電編碼器量化發(fā)射器和水聽器之間的距離并送入計算機。標準水聽器接收的聲壓信號接入測量放大器,通過GP–IB接口讀取測量放大器的電壓值,并對電壓幅值取對數(shù),同時由光電編碼器量化發(fā)射器和水聽器之間的距離,得到一系列不同距離處的聲壓值。把它畫成以距離為橫坐標的曲線,即為聲壓隨距離的變化曲線。測量實施時,根據(jù)消聲水池測試剖面布置鋼絲繩及轉(zhuǎn)輪,在鋼絲繩上懸掛發(fā)射換能器和水聽器,并把換能器和水聽器移到起始位置。要注意的是:換能器和水聽器要分開懸掛在上、下兩根鋼絲繩上,這樣才能保證測量時換能器、水聽器的相向運動,實現(xiàn)聲壓隨距離的變化曲線。4聲場測試曲線被測水池尺寸15×6×6m3,測試坐標如圖3所示。水池寬度方向為x,深度方向為h,長度方向為d。因為消聲水池是矩形六面體,所以可以認為在水池寬度方向上中剖面兩面的聲場是左右對稱的,在水池深度方向上中剖面兩邊的聲場是上下對稱的。因此,我們在聲場檢測時,只測四分之一的水池空間。測試頻率、測試深度根據(jù)具體的測試要求而定。利用上述裝置對某消聲水池的聲場特性進行了測試,本文選取了其中的兩條聲場測試曲線,如圖4、圖5所示。分別為測試頻率為6kHz和12kHz時,在水池深度方向3m、寬度方向3m處沿水池長度方向測得的聲場曲線。實線為實際測量的聲場曲線,虛線為按理想球面波衰減規(guī)律的聲場曲線(相當于理想的消聲水池)。顯然,實際測量值與理想的球面波衰減規(guī)律的出入(或偏差)就是池壁反射的結(jié)果,通常把實測值與理論值的偏差在±1dB以內(nèi)的區(qū)域稱為自由場區(qū)域。當然,這個自由場區(qū)域越大越好。從聲場測試曲線可以得到不同頻率、不同深度、不同寬度方向的自由場區(qū)域大小。若將被測件放在此區(qū)域內(nèi),在連續(xù)波信號測量條件下,也能得到較為精確的測量結(jié)果。5不確定度分析下面對水池聲場測量的誤差作一定量的分析。5.1測量信噪比不足引入的不確定度u根據(jù)聲壓-距離法測量裝置的設(shè)備組成情況,可認為有如下的B類不確定度分量:(1)測量信噪比不足引入的不確定度:uB1=0.1dB(正態(tài)分布);(2)距離測量引入的不確定度:uB2=0.05dB(正態(tài)分布);(3)測量放大器讀數(shù)引入的不確定度:uB3=0.12dB(均勻分布)。5.2不確定分類用測量結(jié)果的平均值實驗標準偏差作為A類不確定度分量。相對聲壓-距離法測量裝置的實驗標準偏差(貝塞爾法)為uA=0.1dB。5.4合成標準的不確定度相對聲壓-距離法測量裝置的合成標準不確定度為5.4擴展不確定取包含因子k=2,相應的不確定度的置信水平約為95%,測量結(jié)果的擴展不確定度U為6消聲水池聲場的測量當步進馬達驅(qū)動鋼絲繩運動并拖帶水聽器運動時,由于水聽器是用電纜懸掛在鋼絲繩上的,它在水中的運動必然受到水的阻力,所以水聽器的運動往往滯后于鋼絲繩的運動。因此,記錄的相對聲壓級與距離的對應關(guān)系是有誤差的。但因為鋼絲繩的運動是勻速的,水聽器滯后于鋼絲繩的運動也是恒定的。因此,只要在運行一段距離后再開始測量,它對相對聲壓級的影響不大。在測量六面布滿消聲器件的消聲水池的聲場特性時,一般都在池面上留下一條縫,以便于換能器和水聽器的移動。但是,這一條縫由于未消聲會對發(fā)射聲信號產(chǎn)生反射,從而影響測量精度。因此水面上留下的縫應該盡可能小,以最大限度地減小它對測量精度的影響。縫隙引起的聲信號反射不僅與縫寬有關(guān),還與波長有關(guān),對于同樣的寬度,頻率較高時對測量結(jié)果的影響比頻率較低時的影響大。距離行走機構(gòu)一定要平行,保證水聽器在水池中央時與在水池邊緣時與側(cè)面的距離相同,鋼絲繩應繃緊,