第五章 水聲無源材料聲學性能的測量

第五章水聲無源材料聲學性能的測量

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)

當在聲源和接收器間插入一種無源材料或構(gòu)件時接收信號級降低的程度。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)測量方法

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

（一）小樣品材料聲學特性測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定水聲無源材料的復反射系數(shù)，由此可以導出水聲材料的其他聲學特性參數(shù)，如聲阻抗、縱波聲速、衰件系數(shù)等，也可以用來測量插入損失IL和回聲降低Er。（１）

脈沖管測試系統(tǒng)（２）脈沖管法對設備的要求對聲管的要求對換能器的要求對電子儀器的要求對聲管的要求·管材金屬（最好為不銹鋼），彈性模量應較大。·管壁厚應大于等于內(nèi)半徑，即(b外徑，a內(nèi)徑)?！す軆?nèi)徑

根據(jù)聲波導理論，應為，約為λ/4。

·管長由聲波導理論，應為，約為5λ.·管中應充滿除氣、清潔的蒸餾水。

·管垂直度應用水平儀進行校準。

對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。輻射應為平面波，采用平面活塞式使振動速度軸對稱分布。安裝與剛管間有良好的聲學隔離，以減弱換能器激發(fā)管壁振動。信號發(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0.1dB示波器雙通道，可同時讀取幅度與相位，分辨率優(yōu)于0.2dB.對電子儀器的要求對樣品的要求·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?！ず穸?/p>

在

范圍內(nèi)，為聲波在樣品中傳播的波長。·表面

平整，厚度一致。~·一般采用不銹鋼?！ず穸葹闇y試中心頻率的四分之一波長。對標準反射體的要求·樣品準備表面用脫脂劑仔細擦洗，待溶劑揮發(fā)后浸入水中（至少幾小時）使樣品表面充分浸潤，樣品放入管內(nèi)時，應避免帶入氣泡，等待數(shù)分鐘后測量?！に疁蕚涫褂谜麴s水，保證管中無氣泡。（３）測量前準備工作在給定的測試頻率上，分別測出放與不放樣品時換能器收到的第一次反射脈沖幅值以及相應的相位，則有：

（４）復反射系數(shù)的測量（聲軟末端）（聲硬末端）（聲硬末端）（５）縱波聲速c和衰減系數(shù)的測量根據(jù)傳輸線理論，被測樣品從聲波入射方向看進去的阻抗為：（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。

如果對于聲軟末端，若設則

（聲軟末端）（聲硬末端）當測得后，即可得出。

這樣，即可解得，進而得到縱波聲速c和衰減系數(shù)

（6）插入損失和回聲降低的測量全反射體

樣品

收發(fā)換能器

測量時，先測出與示波器上第一個脈沖和第二個脈沖相對應的衰減器讀數(shù)；取出樣品后再測出與示波器上第一個脈沖相對應的衰減器讀數(shù)，則有：

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

（2）對測量設備的要求

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

（3）復反射系數(shù)的測量推導:聲管中距離樣品x處的聲壓：而復反射系數(shù)有：所以，如果設S是駐波比則，而相位角可由第一個極小值的位置來確定：因為所以，但是，通過測量駐波管中的波長求相位角精度不高。所以，通過測量兩個極小值點的方法可以得到相位角。所以，

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

實驗目的采用駐波管法測量材料法向吸聲系數(shù)實驗儀器設備信號源、功率放大器、傳聲放大器、頻率計、探針式傳聲器、揚聲器等實驗內(nèi)容實驗步驟·根據(jù)被測樣品的測量頻率范圍，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)信號源的輸出幅值在一固定值，并使其輸出頻率為測量頻率；·調(diào)節(jié)濾波器中心頻率對準聲信號頻率；·移動傳聲器小車將探針式傳聲器移至被測材料樣品的表面，然后慢慢移動小車，使探針式傳聲器慢慢離開樣品表面，同時觀察傳聲放大器上的電壓表指示，找到一個聲壓極大值，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，移動小車細心找出相鄰的第一個極小值，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）采用純音激勵測量復反射系數(shù)在水聽器1和2處聲場聲壓為：解方程：所以，傳遞函數(shù)：（2）采用寬帶、穩(wěn)態(tài)隨機噪聲激勵注意：頻率分析、統(tǒng)計平均方法處理數(shù)據(jù)（二）自由場中大樣品材料

聲學特性測量方法BACK１、測量聲場示意圖發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)（測R時）發(fā)射器A樣品B測T時２、垂直入射情況下插入損失IL的測量測量時水聽器放在位置B。水聽器和樣品要放在發(fā)射器的遠場，水聽器離樣品要近些，以使樣品邊緣衍射影響最小。測量時，分別測出放與不放樣品時，與透射脈沖幅值和直達脈沖幅值相對應的衰減器讀數(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。測出在不同入射角時，與透射脈沖相對應的衰減器讀數(shù)α(Θ)，則有：

IL(Θ)=α-α(Θ)

測量中可以采用脈沖信號，也可以用連續(xù)信號，但除低頻外，最好用脈沖信號，這樣能使干擾信號同待測信號分開，另外采用最大可能的樣品尺寸和幾何非對稱性，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。測量時，分別測出反射脈沖和直達脈沖相對應的衰減器讀數(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)]是球面波擴展損失的修正值。

rd4、垂直入射情況下回聲降低Er的測量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的測量Θ測量時，樣品不動，在xoy平面上移動發(fā)射器和水聽器，使入射角與反射角相等，然后在每個入射角上測出反射脈沖和直達脈沖幅值相對應的衰減器讀數(shù)α和α，則有

Er(Θ)=α-α(Θ)+20lgd1/d2其中:d1為發(fā)射器到水聽器直達波所走路程；d2為發(fā)射器發(fā)出的入射聲波到達樣品，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垂直入射時測量時，將水聽器置于B點，吸聲構(gòu)件和全反射體組件垂直固定在支架上。首先測出吸聲構(gòu)件樣品的反射信號幅值Prs對應的衰減器讀數(shù)α，然后轉(zhuǎn)動樣品，使全反射體一面對準發(fā)射器，再測出