易燕 李水

（第七一五研究所，杭州，310023）

裝有聲吶設(shè)備的艦艇球鼻艏導(dǎo)流罩是水下反潛作戰(zhàn)的探測(cè)窗口。導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)艦船艏部線型和受力特點(diǎn)、透聲區(qū)域和頻段要求，合理設(shè)計(jì)其板格大小和加強(qiáng)筋布置[1]。當(dāng)前，導(dǎo)流罩一般采用全衍架式構(gòu)架，外殼用水平和垂直加強(qiáng)筋加強(qiáng)。球鼻艏導(dǎo)流罩材料的選擇先后有不銹鋼、玻璃鋼和鈦合金。俄羅斯以及歐洲一些國(guó)家的球鼻艏導(dǎo)流罩采用了雙層鈦合金結(jié)構(gòu)作為透聲窗，透聲窗形狀較為規(guī)則，球鼻艏導(dǎo)流罩的底部采用規(guī)格尺寸較大的高強(qiáng)度鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)，我國(guó)對(duì)雙層金屬材料的透聲性能研究也開(kāi)始起步[2-4]。

雙層金屬材料導(dǎo)流罩不僅強(qiáng)度和剛度比單殼結(jié)構(gòu)高，而且，在內(nèi)外兩層殼板間能形成聲腔，通過(guò)合理設(shè)計(jì)板厚和板間距，控制雙層板的共振頻率，可調(diào)整導(dǎo)流罩的透聲性能。新型雙層金屬導(dǎo)流罩在完成前期理論計(jì)算和數(shù)值仿真后，一般都會(huì)制成平板模型試樣，在實(shí)驗(yàn)室消聲水池中對(duì)其各個(gè)入射方向的透射聲性能進(jìn)行初步評(píng)估。導(dǎo)流罩平板模型采用導(dǎo)流罩的實(shí)際結(jié)構(gòu)形式，其內(nèi)部布有縱橫交錯(cuò)的加強(qiáng)筋和肋骨。加強(qiáng)筋和雙層板間聲腔結(jié)構(gòu)使得經(jīng)雙層導(dǎo)流罩的透射聲場(chǎng)變得異常復(fù)雜。常規(guī)的正弦脈沖方法測(cè)試大面積平板試樣透聲性能的方法已不再適用。

本文針對(duì)典型的雙層鈦合金導(dǎo)流罩平板模型的特殊結(jié)構(gòu)，提出了一種評(píng)估其低頻斜入射透聲性能的測(cè)試技術(shù)。應(yīng)用寬帶壓縮脈沖疊加法和寬帶指向性聲源，分析透射聲場(chǎng)特性，最終給出測(cè)試頻率8～30 kHz，最大斜入射角度到45°，導(dǎo)流罩平板試樣的斜入射透聲性能曲線。

1 模型結(jié)構(gòu)與聲學(xué)測(cè)試參數(shù)分析

當(dāng)前，球鼻艏聲吶的工作頻率一般在幾千赫茲，聲信號(hào)會(huì)從各個(gè)角度入射到聲吶導(dǎo)流罩上。針對(duì)聲吶導(dǎo)流罩的應(yīng)用環(huán)境，研制新型雙層鈦合金導(dǎo)流罩時(shí)，需要研究鈦合金板厚、板間距與聲學(xué)性能隨頻率及入射角度的變化和對(duì)應(yīng)關(guān)系。由此，制作了如圖1所示的雙層鈦合金導(dǎo)流罩平板模型試樣。樣品由雙層鈦合金平板構(gòu)成，前層平板尺寸為1 500 mm×1 260 mm×4 mm，背面配置結(jié)構(gòu)框架及螺栓，后層鈦合金平板由9塊500 mm×420 mm×4 mm小平板組成，用螺栓固定到結(jié)構(gòu)框架上，通過(guò)調(diào)整螺栓可以調(diào)整兩塊平板的間距。平板間距可調(diào)范圍為20～40 mm。

圖1 雙層導(dǎo)流罩平板模型試樣結(jié)構(gòu)示意圖

衡量平板模型試樣透聲性能的聲學(xué)參數(shù)有聲壓透射系數(shù)T或插入損失IL。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的定義，聲壓透射系數(shù)為：給定頻率和環(huán)境條件下，水媒質(zhì)中平面聲波入射到無(wú)限大板狀樣品表面，其透射波聲壓與入射波聲壓之比。實(shí)際測(cè)試時(shí)，在邊緣效應(yīng)可忽略的情況下，有限大樣品等效為無(wú)限大樣品。插入損失IL與聲壓透射系數(shù)T有如下關(guān)系：

對(duì)于圖1所示的模型試樣結(jié)構(gòu)，兩種情況下邊緣效應(yīng)可以忽略：測(cè)試用的脈沖信號(hào)足夠短，可以將模型邊緣散射信號(hào)在時(shí)域上進(jìn)行分離；選用的發(fā)射換能器為尖銳指向性換能器，主波束能夠打到主體結(jié)構(gòu)上，而入射到模型邊緣的信號(hào)很小，或者邊緣散射的信號(hào)很弱。文獻(xiàn)[5]指出，采用正弦脈沖法測(cè)量時(shí)，樣品在聲軸垂直平面上投影最小長(zhǎng)度l均應(yīng)大于測(cè)試頻率水中波長(zhǎng)的5倍。圖1所示雙層導(dǎo)流罩平板模型試樣在聲波 45°入射時(shí)，最小投影長(zhǎng)度為0.89 m。常規(guī)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)試樣，采用正弦脈沖法，最低可測(cè)頻率為8.5 kHz。而對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雙層鈦合金試樣，常規(guī)單頻正弦脈沖測(cè)試技術(shù)能準(zhǔn)確測(cè)試的最低頻率遠(yuǎn)則高于8.5 kHz。圖1所示導(dǎo)流罩平板模型的應(yīng)用頻段為8～30 kHz，最大斜入射角度45°，單頻脈沖測(cè)試技術(shù)已不再適用。

2 低頻寬帶斜入射測(cè)試的軟硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 指向性換能器

測(cè)試選用的指向性換能器基陣。輻射面直徑Φ 575 mm，由21個(gè)縱向復(fù)合振子換能器組成的，為了抑制后輻射，采用輕質(zhì)隔聲后擋。圖2為其發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)曲線，從圖中可以看出，換能器工作諧振頻率為19 kHz，諧振頻率以下響應(yīng)級(jí)隨頻率線性變化。圖3為頻率在5.0 kHz、10.0 kHz時(shí)的指向性圖，θ–3dB分別等于 30.3°、15.1°。它們的旁瓣級(jí)均低于–16 dB。該型換能器能滿足8～30 kHz頻段的測(cè)試需求。

圖2 換能器發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)曲線

圖3 換能器發(fā)射指向性圖

2.2 脈沖壓縮測(cè)試技術(shù)

單頻脈沖測(cè)試不再適用在自由場(chǎng)中低頻、尺寸有限的材料構(gòu)件的測(cè)試。因?yàn)橛糜跍y(cè)試的低頻正弦脈沖，信號(hào)包含幾個(gè)穩(wěn)態(tài)周期，脈沖信號(hào)脈寬都較長(zhǎng)，會(huì)造成有用信號(hào)與干擾信號(hào)的時(shí)域混疊。不能合理提取有效信號(hào)，也就得不到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)壓縮脈沖寬度可以解決這個(gè)問(wèn)題[6]，并且可以達(dá)到寬帶測(cè)試的目的。為了產(chǎn)生8～30 kHz頻段的寬帶壓縮脈沖，用2 μs（1樣點(diǎn)）寬度的方波脈沖作為初始脈沖信號(hào)。第一步，計(jì)算測(cè)量系統(tǒng)傳遞函數(shù)，任意信號(hào)發(fā)生器在計(jì)算機(jī)控制下輸出2 μs方波信號(hào)到功率放大器，驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)出脈沖聲信號(hào)，輸出波形如圖4所示，求出系統(tǒng)響應(yīng)，如圖5所示。第二步，將2 μs寬方波作為希望輸出的信號(hào)，把解出的反濾波因子數(shù)據(jù)送入任意信號(hào)發(fā)生器，經(jīng)功放驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射，圖6為計(jì)算得到的理論上的輸出壓縮波形，圖7為對(duì)其作DFT得到的頻譜，采樣率fs=500 kHz，采樣長(zhǎng)度N=1 000，頻率分辨率為Δf=0.5 kHz。對(duì)比可見(jiàn)，未作壓縮處理的方波輸出信號(hào)頻譜的–6 dB帶寬很窄，能量集中在諧振頻率點(diǎn)附近。作壓縮處理的方波輸出信號(hào)頻譜的–6 dB帶寬明顯擴(kuò)展，尤其是相對(duì)提高了我們需要的低頻響應(yīng)。壓縮后脈沖信號(hào)寬度約為0.1 ms。

圖4 2μs寬方波系統(tǒng)輸出波形

圖5 系統(tǒng)頻率響應(yīng)

圖6 2μs寬方波系統(tǒng)輸出壓縮后波形

圖7 2μs寬方波壓縮后波形頻譜

3 雙層導(dǎo)流罩平板模型測(cè)試

對(duì)圖1所示雙層導(dǎo)流罩平板模型的測(cè)試需求為：8～30 kHz頻段，雙層板間距分別為20 mm、22 mm、25 mm、27 mm、30 mm、32 mm、35 mm、40 mm時(shí)，聲波入射角度–45°～45°范圍內(nèi)，模型的聲壓透射系數(shù)（插入損失）。

3.1 測(cè)量原理及水下聲場(chǎng)布放

圖8為雙層導(dǎo)流罩平板模型透聲性能測(cè)試裝置圖，測(cè)試在自由場(chǎng)中進(jìn)行。

圖8 水聲材料斜入射透聲性能測(cè)試裝置圖

測(cè)量原理為：先測(cè)量未放入樣品時(shí)，水聽(tīng)器接收的時(shí)域信號(hào)為參考信號(hào)在水聽(tīng)器和發(fā)射器之間放入樣品后，調(diào)整聲入射角度θ，采集水聽(tīng)器信號(hào)為透射信號(hào)根據(jù)公式（2）計(jì)算試樣θ角度入射時(shí)樣品透射系數(shù)T(θ,f)，電動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)樣品調(diào)整入射角度，直至測(cè)完全部入射角度透射系數(shù)，獲得樣品的斜入射透聲性能分布。

水下聲場(chǎng)布置時(shí)需要滿足自由場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)條件[7]。樣品與水聽(tīng)器應(yīng)布放于發(fā)射器的遠(yuǎn)場(chǎng)位置，發(fā)射換能器的輻射面直徑為 Φ575 mm，水聽(tīng)器選擇B&K8103，計(jì)算30 kHz的遠(yuǎn)場(chǎng)距離，將樣品布放在距離發(fā)射換能器1.75 m位置。

聲波透過(guò)樣品，對(duì)于不同材料、結(jié)構(gòu)及尺寸的試樣，其背面形成的透射聲場(chǎng)分布也各不相同。此時(shí)的聲場(chǎng)，可看成透過(guò)樣品，由樣品上的許多的面元發(fā)出的聲波互相疊加、干涉的結(jié)果，形成具有極大、極小的周期性起伏的聲場(chǎng)。圖1所示模型，加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)和螺栓的引入使透聲窗的透射聲場(chǎng)變得復(fù)雜，存在結(jié)構(gòu)近場(chǎng)區(qū)域。聲學(xué)測(cè)試應(yīng)在樣品結(jié)構(gòu)單元透射聲場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行?？赏ㄟ^(guò)在聲軸線上測(cè)量軸向聲壓與距離的變化曲線，確定遠(yuǎn)場(chǎng)位置。實(shí)驗(yàn)確定30 kHz時(shí)樣品的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場(chǎng)位于距樣品1 m處。利用反濾波壓縮脈沖信號(hào)進(jìn)行低于30 kHz寬帶測(cè)試時(shí)，須將水聽(tīng)器布置在聲軸線上樣品背面1 m處。

3.2 時(shí)間窗選擇

復(fù)雜結(jié)構(gòu)的樣品透聲場(chǎng)的信號(hào)來(lái)源繁多，需要具體問(wèn)題具體分析，合理地選擇時(shí)間窗，選取有用的信號(hào)，摒棄干擾信號(hào)，才能獲取準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。圖1所示試樣在聲波垂直入射時(shí)，透射聲場(chǎng)中各信號(hào)來(lái)源如圖9所示。各信號(hào)行走路徑分別為：①[樣品一次透射信號(hào)]、②[樣品內(nèi)框架散射信號(hào)]、③[樣品二次透射信號(hào)]、④[樣品邊緣衍射信號(hào)]、⑤[水面、池底反射信號(hào)]、⑥[池壁反射信號(hào)]。因樣品的三次以上的透射信號(hào)已經(jīng)很小，此處忽略不計(jì)。

圖9 雙層導(dǎo)流罩平板模型透聲聲場(chǎng)中各信號(hào)來(lái)源示意圖

取發(fā)射器與樣品間距L=1.75 m，樣品與水聽(tīng)器間距d=1 m，單層板厚4 mm，聲軸線距水面和池底都為 2 m，發(fā)射器與水聽(tīng)器距離中心至池壁距離2.75 m，不同的板間距情況下，各信號(hào)的初始時(shí)延見(jiàn)表1。時(shí)域波形信號(hào)示意圖見(jiàn)圖10，不同信號(hào)的初始時(shí)延分布用相應(yīng)的數(shù)字箭頭表示。

圖10 透射時(shí)域波形信號(hào)示意圖

顯然，透射聲場(chǎng)信號(hào)中：①～③為有用信號(hào)，④～⑥為干擾信號(hào)。水下聲場(chǎng)的合理布置能使有用信號(hào)和干擾信號(hào)有效分離，也易于時(shí)間窗的選取。本文選擇圖10中的A、B之間的時(shí)間窗。

如圖6，初始?jí)嚎s脈沖信號(hào)寬度約為0.1 ms。利用該信號(hào)，有用信號(hào)和干擾信號(hào)在時(shí)域上是分離的。當(dāng)聲波斜入射時(shí)，各類信號(hào)脈沖會(huì)產(chǎn)生不同程度的時(shí)域拓寬，各信號(hào)的初始時(shí)延也會(huì)有所改變，但干擾信號(hào)也不會(huì)混疊到有用信號(hào)中，并不影響時(shí)間窗口的選取。此外，可以通過(guò)一次信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)全頻段的測(cè)試。若采用單頻正弦脈沖信號(hào)，一般要求脈沖信號(hào)至少包含兩個(gè)穩(wěn)態(tài)波周期，再加上換能器的瞬態(tài)效應(yīng)，有用信號(hào)和干擾信號(hào)在時(shí)域上會(huì)疊到一起。如10 kHz，脈沖寬度至少為0.3 ms，信號(hào)③未結(jié)束時(shí)，信號(hào)④已到達(dá)，③④兩個(gè)信號(hào)疊到了一起。而當(dāng)聲波斜入射時(shí)，混疊效應(yīng)將會(huì)更加明顯。

表1 不同板間距情況下各信號(hào)初始時(shí)延 ms

3.3 測(cè)試結(jié)果

利用上述測(cè)試方法和技術(shù)，對(duì)圖1所示的雙層鈦合金導(dǎo)流罩平板模型在8 m×5 m×5 m的消聲水池中進(jìn)行測(cè)試。圖11為聲波垂直入射時(shí)，選擇不同的雙層板間距，模型的插入損失測(cè)試結(jié)果圖。因?yàn)樗畬勇暻缓穸鹊牟町?，使得插入損失的頻率峰谷值規(guī)律性變化。圖12為固定雙層板間距32 mm，聲波斜入射（從–45°到垂直入射）時(shí)，模型的插入損失變化曲線圖。隨著斜入射角度的增大，因雙層板聲腔結(jié)構(gòu)引入的插入損失峰谷值向高頻移動(dòng)。

圖11 不同雙層板間距，聲波垂直入射時(shí)，模型的插入損失測(cè)試頻譜圖

圖12 雙層板間距32mm，聲波從–45°～0°（垂直）入射，模型的插入損失測(cè)試頻譜圖

4 結(jié)論

本文用寬帶換能器和反濾波壓縮脈沖測(cè)試技術(shù)，通過(guò)合理的水下聲場(chǎng)布置和時(shí)間窗選取，解決了雙層鈦合金導(dǎo)流罩平板模型低頻段和大角度測(cè)試難度問(wèn)題。測(cè)試得出模型試樣低頻寬帶范圍內(nèi)插入損失的頻率譜和角度譜。使用的測(cè)試技術(shù)和方法實(shí)現(xiàn)了低頻、寬帶、大角度、高效率、復(fù)雜試樣的水聲性能測(cè)試，可作為水聲自由場(chǎng)環(huán)境下，常規(guī)大樣測(cè)試技術(shù)的一個(gè)補(bǔ)充。