1、利用起伏界面改善非消声水池中的声功率测量*谢丁丁1,2,3李琪1,2,3唐锐1,2,3尚大晶1,2,3任超1,2,3(1哈尔滨工程大学水声技术全国重点实验室哈尔滨150001)(2工业和信息化部海洋信息获取与安全工信部重点实验室(哈尔滨工程大学)哈尔滨150001)(3哈尔滨工程大学水声工程学院哈尔滨150001)2022 年 4 月 7 日收到2022 年 8 月 30 日定稿摘要针对非消声水池的声学测量应用,提出了一种在界面起伏的非消声水池中测量水下声源辐射声功率的方法。基于数值方法分析了在非消声水池中利用起伏界面改善低频声源辐射声功率测量的可行性,进一步在一个尺寸为 1.2m1.0m0.
2、8m的非消声水池中开展实验研究,测量了水声换能器的辐射声功率。实验表明,相对于界面静止的水池,利用造波装置生成随机起伏界面后,声场扩散性明显改善:(1)水池的 Schroeder 频率从 10015Hz 降低到 8370Hz,辐射声功率的测量范围向低频扩展;(2)结合空间平均技术测得的频响曲线起伏程度减小,与自由场值更接近,辐射声功率的测量结果更为准确。所提方法有助于提高非消声水池中水下目标声学特性的测量能力。关键词辐射声功率,扩散体,非消声水池,混响声场,声学测量PACS 数数43.30,43.55Sound power measurements in a non-anechoic tank
3、 with random surfaceXIEDingding1,2,3LIQi1,2,3TANGRui1,2,3SHANGDajing1,2,3RENChao1,2,3(1National Key Laboratory of Underwater Acoustic Technology,Harbin Engineering UniversityHarbin150001)(2Key Laboratory of Marine Information Acquisition and Security(Harbin Engineering University),Ministry of Indust
4、ry and Information TechnologyHarbin150001)(3College of Underwater Acoustic Engineering,Harbin Engineering UniversityHarbin150001)ReceivedApr.7,2022RevisedAug.30,2022Abstract Amethodthatusesarandomsurfacetoimprovemeasurementsoftheradiatedsoundpowerinanon-anechoictankisproposed.Basedonthefiniteelement
5、method,thefeasibilityofimprovingsoundpowermeasurementsatlowfrequenciesbyrandomsurfaceinanon-anechoicpoolisanalyzed.Thesoundpowerofasphericalsourceismeasuredinanon-anechoictankwithasizeof1.2m1.0m0.8m.Experimentalresultsshowthatincontrasttoatankwithasteadysurface,oncearandomsurfaceisgeneratedusingawat
6、erpump,thediffusionissignificantlyimproved:(1)theSchroederfrequencyisdecreasedfrom10015Hzto8370Hz,indicatingtherangeofmeasurementisextendedtolowerfrequencies;(2)thefrequencyresponsecurvesmeasuredbyspatiallyaveragingtechniqueshavesmallerfluctuationandisclosertofree-fieldvalue,thatis,theaccuracyofmeas
7、urementissignificantlyimproved.Theproposedmethodcontributestoobtainingmoreaccuratenarrowbandmeasurementsofunderwatertargetacousticcharacteristicsinunderwaterenvironmentenvironments.KeywordsRadiatedsoundpower,Diffuser,Non-anechoictank,Reverberationsoundfield,Acousticmeasurements引言辐射声功率作为船舶推进系统、小型水下航行
8、器等水下声源的重要声学特性,其准确测量对于水下目标的探测、识别等过程具有极为重要的意义。相比较于海洋、湖泊以及消声水池等环境,在非消声水池中测量水下声源的辐射声功率具有测试环境简*国家自然科学基金项目(11874131)和哈尔滨工程大学博士研究生科研创新基金项目(XK205002102801)资助通讯作者:唐锐,第48卷第3期声学学报Vol.48,No.32023年5月ACTAACUSTICAMay,2023DOI:10.15949/ki.0371-0025.2023.03.004单、建造成本低、测量效率高等优势。声源低频段的窄带声功率测量问题,是非消声水池应用的热点问题。在封闭空间中,单声源
9、在确定位置发射窄带信号时,声场空间起伏剧烈1-2,因此在非消声水池中单点测量窄带辐射声功率的结果不甚理想3-4。马大猷等提出混响室内声功率测量结果与自由场值存在差异是因为受到简正模态的影响5-7。空气声学中著名的“Schroeder 频率”标志着单一共振到重叠模态的转变8,在此频率以上,修正空间平均技术测量到的空间平均声压级即可得到辐射声功率级9-10;在此频率以下,声场的扩散性过差导致即使应用了空间平均技术亦不足以实现辐射声功率的准确测量11-12。将空间平均技术应用在水下混响环境,李琪等在非消声水池中实现了 Schroeder 频率以上较为准确的辐射声功率测量13-15,并开发了一种利用封
10、闭空间与自由场传输特性之间的确定关系作为修正项以实现 Schroeder 频率以下 1/3 倍频程内的低频声功率测量的技术16。在非消声水池中测量声源窄带辐射声功率存在三个问题。其一,如何向低频扩展非消声水池的可测范围。相较于空气混响室,同样体积的非消声水池中声速更高、混响时间更短,这导致其 Schroeder频率要高得多3。即使应用了空间平均技术,在小于 Schroeder 频率的很大范围内亦无法实现辐射声功率的准确测量。其二,如何在可测频段内提高窄带声功率的测量精度。为获得准确的测量结果,应用离散空间平均技术时需要较多的采样点,而水声换能器往往造价昂贵,有限数目的水听器无法满足高精度测量要
11、求。应用连续空间平均技术时则要求大量时间成本。安装扩散装置以提高声场扩散性是解决以上两个问题的重要思路,空气声学领域的学者们提出了大量扩散装置,例如表面、悬挂、旋转、移动扩散体等17。然而这带来了第三个问题,即如何在水池中使用扩散体改善声场扩散性。相较于空气,水中相同频率的声波波长更长,所需扩散体尺度更大,影响声场的采集空间;水中的阻尼更大,空气混响室中广泛使用的旋转、移动扩散体无法直接应用在水池中。与空气混响室中利用扩散体改善声场扩散性的方法类似,在水池表面生成起伏界面有助于提高声场扩散性18。本文提出了通过起伏界面提高非消声水池中低频、窄带辐射声功率测量精度的方法。运用数值计算手段,分析了
12、利用起伏界面提高声场扩散性进而改善低频辐射声功率测量的理论可行性,并进一步在一个 1.2m1.0m0.8m 的非消声水池中开展实验验证研究。在表面静止、起伏两种情况下测量了球形声源的辐射声功率,并与消声水池中同一声源的辐射声功率测量结果对比,验证了起伏界面有助于在更宽频带范围内实现更准确的辐射声功率测量。1 非消声水池低频声场扩散性分析 1.1提高非消声水池扩散性的原理随机波理论将封闭空间中的纯音扩散声场描述为无限多的来自各个方向相位随机的平面波的叠加:P(rm)=limNNn=1P(kn)ei(t+knrm),(1)P(rm)rmP(kn)kn其中,为位置处的声压,代表了方向传播的平面波的强
13、度系数11。该声场的均方声压为|P(rm)|2=n|P(kn)|2+nunRe(P(ku)P(kn)ei(knrmkurm),(2)=kurm knrm(t)ei(t)其中*代表共轭。式中第 1 项与位置无关,第 2 项为每两列来自不同方向的声波在确定位置叠加的总和。然而实际非消声水池中声波的相位并不是完全随机的。若某两列声波的相位差固定,声波发生干涉。不同位置的相位差不同,导致了声场存在不均匀性。在水池表面生成时变起伏的界面有助于促进声波之间的相位差随时间变化,此时相位差可写作,在经过长时间平均后,接近于 0,干涉项减小,此时声场均匀性有所提高,非消声水池声场更接近随机波理论中扩散场的假设。
14、1.2非消声水池低频声场仿真分析x0,15.00y0,9.30为指导低频声源辐射声功率测量工作,首先基于有限元法计算非消声水池界面静止与起伏两种情况下的声场。水池模型长m,宽m,表面静止时水深 6.15m,如图 1(a)所示。表面起伏时水深由下式确定:z=6.15+H4cos(2xL+1)+cos(2yL+2),(3)1,22L/8 L/4 L/3 L/2L=2其中,H 为波高,L 为波长,相位为 0 到之间的随机数。波长 L 取 1m,2m,3m 三种情况,波高 H取,四种情况。其中波长m、3期谢丁丁等:利用起伏界面改善非消声水池中的声功率测量525H=1波高m 的起伏界面水池模型如图 1(
15、b)所示。x=2.00y=2.00z=2.00z=4.00SPL=20log10(p/pref)pref=106Pa将水池上表面设为绝对软边界,池壁设为绝对硬表面。直径为 0.25m 的球形声源位于m,m,m 处激励声场。关注于 500Hz1kHz 频段,每间隔 50Hz 求解声场。在m的水平面上间隔 0.075m 采集声压,如图 1(a)所示。对于界面静止的情况,直接通过求解声压级,其中为水中参考声压。对于界面起伏的情况,通过蒙特卡洛方法,将 50 个相位随机的起伏界面对应的声场进行非相干平均,以模拟具有特定波长、波高的随机起伏界面的非消声水池声场,再求解声压级。频率为 750Hz 时,两种
16、情况下水平面内声场分布如图 2 所示。相比于界面静止的情况,界面起伏时声场不再具有明显的干涉结构,扩散性有所提高。通过采集平面内声压级的标准差来评估声场扩散性,标准差越小说明扩散性越好。各尺度波浪对水池声场扩散性的改善程度如图 3 所示。由图 3,总051015024602468mm(a)(b)m图1非消声水池模型(a)静止界面;(b)起伏界面(a)(b)051015x(m)02468y(m)120140160180200120140160180200(dB)(dB)051015x(m)02468y(m)图2频率为 750Hz 时水平面内声场分布(a)静止界面;(b)起伏界面(波长为 2m、波高为 1m)500600700800频率(Hz)频率(Hz)标准差(dB)标准差(dB)900100024681012(a)1.0 m静止界面2.0 m3.0 m1.0 m静止界面2.0 m3.0 m1.0 m静止界面2.0 m3.0 m1.0 m静止界面2.0 m3.0 m50060070080090010002468101214频率(Hz)标准差(dB)50060070080090010002
