一种有限水域测量低频下限的计算方法与流程

本发明涉及自由场水声低频测量领域，主要是一种有限水域测量低频下限的计算方法。

背景技术：

随着水声技术的发展，水声设备应用的频率范围逐渐向低频方向扩展，水声计量也随之而向低频方向发展。由于自由场是最接近水声设备实际工作的声场条件，因此大部分的水听器、换能器以及水声材料的测量都在自由场中进行。目前，为了获得较好的自由场声场条件，通常需要在有限水域的周围铺设消声尖劈来降低边界反射对自由场产生的影响。同时在测量过程中，水声设备要尽量布放在水池中央，并通过发射声脉冲将直达声和反射声在时域进行分离来避免反射声对测量产生的影响。

但是随着测量频率的降低，消声尖劈对入射声波的吸声效果变差，并且低频声波的波长较长，脉冲声技术无法在时域上对入射声波和反射声波进行有效的分离，这就导致了在有限水域内的水声测量存在低频下限。目前对于有限水域的低频下限，尚没有给出一个准确的计算方法，通常是根据以往的测试经验或者水池的大小大致估算出有限水域测量的低频下限：例如，对于50m×15m×10m的消声水池，其测量低频下限通常为1khz左右。这种估计是不准确的，因为有限水域测量的低频下限与脉冲长度、测试距离、声场的布置等因素有关。因此，目前亟需一种能够根据有限水域以及声场的分布情况，快速、准确计算有限水域测量低频下限的方法，这种方法能够为有限水域水声设备的测量以及不确定度的分析提供理论依据。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种有限水域测量低频下限的计算方法，可应用于有限水域自由场水听器校准、换能器参数测量以及水声材料测量。该方法通过对有限水域内声场的分析，构建水池体积、脉冲宽度、反射时间、测量距离的函数关系式，实现有限水域自由场水声设备低频测量下限的快速、精确计算，提升有限水域低频测量的效率，降低低频测量的测量不确定度，为有限水域的低频测量提供理论基础。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种有限水域测量低频下限的计算方法，根据水池的结构计算得到在该有限水域中直达波与反射波最大声程差的区域，并在该区域中结合脉冲信号关系快速计算出有限水域的低频测量下限。

该方法具体步骤如下：

(1)、有限水域中，为了能够获得该水域中校准的低频下限，需要避开反射对直达声产生的影响，为了获得有限水域的低频下限，需要按照如下方式布置声场，得到直达声与反射声的最大声程差；

1)、长宽高分别为l、w、h的水池，其最短边边长为：l＝min{l,w,h}；

2)、发射换能器与被测水声设备连线位于垂直于最短边l的平面内，并且该平面与最短边的交点为最短边的中点；

3)、发射换能器与被测水声设备的距离d满足：

d0≤d≤min{|w-h|,|w-l|,|l-h|}(1)

式中，d0为满足自由场远场条件的最短距离；

4)、发射换能器以及被测水声设备与水池边界的距离dx满足：

(2)、在获得最大声程差的前提下，考虑脉冲宽度、测试距离、测试频率多种因素的影响，有限水域的低频下限flimit可根据式(3)计算得到

式中：l为立方体水池最小边长；

c为水中声速；

β为脉冲填充波的个数。

本发明的有益效果为：

(1)、对于特定的换能器以及测量水池，本方法能够通过声场计算，快速、准确地得到该换能器在水池中的测量低频下限。

(2)、对于特定的测量低频下限，本方法通过声场计算，可以得到测量所需的脉冲宽度，并根据声场计算结果进行换能器的布放，大大提高水声低频测量的效率。

附图说明

图1为立方体水域船舶路径示意图。

图2为有限水域声传播平面示意图。

图3为立方体水池中最长声程差域示意图。

图4为水听器在有限水域中接收声脉冲所输出的典型电压波形。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明根据有限水域空间结构的分析，确定了能够获得有限水域频率下限的自由场区域。通过对该区域内测量声场的分析，得到了有限水域频率下限与测试频率、脉冲宽度、测量距离等参数的关系，根据该关系能够快速、准确计算有限水域测量低频下限。

在有限水域自由场测量过程中，发射换能器通常作为声源向水中发射声信号。这里假设发射换能器为无指向性声源，发射声波在自由场中形成以发射换能器为球心的球面波。发射换能器与被测水声设备的距离为d，此时被测换能器的声压可以表示为

式中，p0——距离发射换能器1m处的声压值；

ω——角频率，ω＝2πf，f为频率；

k——波数，k＝ω/c，c为水中声速；

t——声波传播时间。

当声波达到有限水域边界时，会在有限水域边界产生反射。这里假设第m个波在有限水域边界的反射系数为qm，反射波在被测换能器处产生的声压可以表示为：

式中，dm——第m个反射波的声程；

tm——第m个反射波传播时间。

此时，被测换能器接收到的总的声压可以表示为

理论上反射波有无穷多个，但是由于消声尖劈对反射波具有一定的吸声作用，同时随着声程的增加，声波的幅度也开始减小。因此，经过几轮反射后，反射波对直达声的影响可以忽略不计，此时被测换能器接收到的总的声压可以表示成直达声和有限个反射声和的形式：

从式(4)可以看出，直达声和反射声除了在幅值上相差比较明显，在时间上也存在差异，声脉冲技术就是利用直达声和反射声在时间上的不同，在时域对直达声和反射声进行分离。但是随着频率的降低，声波的波长变长，同样脉冲宽度的脉冲在时域上持续的时间也就越长。那么反射波就有可能会叠加到直达波上，此时水声设备接受的声波就不是自由场条件下的直达波，而是带有反射的声信号。通过计算直达声脉冲和反射声脉冲混叠的极限频率就是有限水域自由场的低频下限。

目前国内外大部分的消声水池都是矩形水池(个别罐体除外)。有限水域的低频反射基本来自于有限水域的边界以及水面反射。该低频测量下限与信号频率、脉冲宽度、换能器间的距离、入水深度、换能器与池壁的距离等因素有关。

本发明需要先根据水池的结构计算得到在该有限水域中直达波与反射波最大声程差的区域，并在该区域中结合脉冲信号关系快速计算出有限水域的低频测量下限。

为了分析水池中的声场关系，这里以目前普遍采用的矩形水池为例建立一个能描述消声水池声场关系的数学模型，如图1所示。水池中a为发射换能器，b为被测水声设备。被测水声设备接收来自有限水域6个面的反射，通常有限水域边界二次反射的反射波很小，在实际中通常忽略不计，这里仅考虑有限水域边界的一次反射。

发射换能器a发射测量所需要的声信号时，b接收到如图所示的直达声波和有限水域边界以及水面的反射声波。水池的长为l，宽为w，深为h。有限水域中声场的布放是一个空间问题，这里先将其转换成平面问题，如图2所示。假设l为水池最短边边长，即l＝min{l，w，h}，l1表示有限水域除最短边的以外的任意边的边长，l1>l。为了分析方便，这里两个换能器的连线方向与l1边平行，并呈中心对称排布，a与b的距离为d。测量过程中，为了尽可能地将直达波和反射进行分离，需要计算出反射波与直达波的最短声场差(不考虑脉冲宽度对声程产生的影响)。由于是一个平面分析模型，水声设备b接收到来自发射换能器a的直达声波和四个水池边界的反射声。

来自较短边界l的直达声和反射声的声程差为

δd＝l1–d(5)

来自较长边界l1的反射波与直达波的声程差为

式中：δd为直达声与反射声的声程差。

若发射换能器与被测水声设备的连线与较长边l1不平行，如图2中a与b'所示，根据几何知识可知，此时直达声与反射声的声场差直达波与反射波的声程差变短，无法获得最大声程差。因此按如图2中所示a与b布置声场可以获得最大声程差，并且

为了获得最长声场差，需要保证

d≤l1-l(8)

同时，考虑到发射换能器或者被测水声设备不能与水池最短边界的距离太近，此距离d1需要满足条件为

可以得到在平面内反射声与直达声的最大声程差以及在此条件下需要满足的条件，即发射换能器与水声设备所在的平面垂直于水池最短边，并且该平面位于最短边的中心，同时满足(8)与(9)两个条件。

将平面得到的结果拓展到如图3所示的空间区域，这里假设h为矩形水域最短边(l＝h)。此时发射换能器与被测水声设备的距离d满足：

d≤min{|w-h|,|w-l|,|l-h|}(10)

dx为距离水池最短边以外的任意一边的距离，dx满足

因此在空间阴影区域内布置声场可获得如式(6)所示的最短声程差。

通常，脉冲声技术是在时域内对直达声和反射声进行分离，从图4中可清晰地区分出有用的直达脉冲信号和水面、水底等边界反射干扰脉冲，通过对直达信号脉冲的测量和分析，就可实现自由场条件下的准确测量。声脉冲技术在时域对直达波与反射波的分离不仅与声程差有关，还与测量频率、测量距离、脉冲宽度有关。直达波与反射波发生混叠是影响有限水域测量结果的关键因素，保证其不发生混叠所对应的临界点就是有限水域测量的频率下限。根据前面对于直达声与反射声的分析，并考虑水中声速、脉冲宽度等因素的影响，在满足式(10)、(11)的条件下，有限水域内测量的频率下限可以表示成式(12)所示：

其中，l为立方体水池最小边长，d为在特定声场条件下发射换能器与水听器的距离，c为水中声速，β为脉冲填充波的个数。可见这个最小频率随水池最小边长的增大而变小，随测量距离的增大而变小，随脉冲填充波个数的增加而变大。

这里以50m×15m×10m的消声水池为例，在该水池中其最短边边长为10m，根据不确定原理，理论上极限校准频率为150hz。在实际测量中，满足最短声程差声场布放条件，取不同的测量脉冲以及不同的测试距离，有限水域的测量频率下限会不同。若测量距离为0.25m，脉冲填充波个数m＝1时，此时最低的校准频率为152hz。但此时由于脉冲较短，测量误差可能相对较大；当m＝5时，最短边长为10m的水池的校准频率下限理论值为761hz，此时脉冲的测量不确定度相比于m＝1时较小，但是其频率下限就会升高。

在测量过程中，可根据本发明中提出的方式布放声场，并结合测量频率、脉冲宽度以及测量距离等参数，快速、准确计算被测水声设备在该声场条件下直达声与反射声在不发生混叠的情况下的频率下限。同时也可以根据水声测量的低频下限，反之计算得到测量脉宽、测试距离的关系。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。