一種基于多通道空時逆濾波技術(shù)的聲學覆蓋層插入損失測量方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水下聲學覆蓋層大樣插入損失的測量方法。水下聲學覆蓋層是水 聲工程中使用廣泛且至關重要的水下部件，為評估聲學覆蓋層試樣的插入損失性能，實驗 室條件下大件樣品的插入損失測量是主要的手段。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲學覆蓋層是指敷設在水下部件上的專用功能性聲學材料與結(jié)構(gòu)，是水下部件實 現(xiàn)聲隱身的一個重要手段。隨著粘彈性材料的快速發(fā)展以及聲隱身技術(shù)研究的深入，聲學 覆蓋層產(chǎn)品已較為齊全，按其不同聲學功能可分為由消聲瓦、隔聲瓦、抑振瓦、去耦瓦、陣列 消音器等。聲學覆蓋層一方面可以將主動探測聲波的能量大幅度的吸收，使主動聲納聲波 的反射減少，降低水下結(jié)構(gòu)的聲目標強度，另一方面可以抑制結(jié)構(gòu)自身輻射噪聲。因而，聲 學覆蓋層是目前唯一既能降低目標強度又能抑制輻射噪聲的一項有效技術(shù)，對其在水聲使 用環(huán)境中的聲學性能研究和聲學參數(shù)測量也就成為了我們迫切需要解決的問題。
[0003] 插入損失是衡量覆蓋層聲學性能的重要指標之一。現(xiàn)有的聲學覆蓋層插入損失測 量須滿足自由場條件。自由場中的大樣品測量對于低頻聲學性能參數(shù)的測量能力有限，隨 著頻率的下降，由于測量環(huán)境四周的吸聲材料無法完全吸收聲波，邊界低頻聲波的反射已 不能忽略，測量信號受混響干擾嚴重。同時，由于波束主瓣寬度會隨頻率的降低而逐漸增 大，即主瓣分辨力會逐漸降低，而待測試樣尺寸有限，當主瓣寬度大于待測試樣尺寸時，會 對測試結(jié)果造成較大誤差。此外，對于多層殼體的模型，通常需分別評估每一層試樣的透射 性能以實現(xiàn)最優(yōu)的綜合吸聲性能，因而對測量具有更高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有的聲學覆蓋層插入損失測量技術(shù)在中低頻段測試中，測量結(jié)果誤差 較大、精度較低的不足，本發(fā)明提供一種適用于中低頻段、有效減少測量誤差、提高精度的 聲學覆蓋層大樣插入損失測量方法，該方法通過多通道空時逆濾波技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)射信號在 試樣處的空間能量聚焦和時域脈沖聚焦。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下。
[0006] -種基于多通道空時逆濾波技術(shù)的聲學覆蓋層插入損失測量方法，所述測量方法 包括如下步驟：
[0007] 1)生成多通道空時逆濾波發(fā)射信號：無試樣情況下，換能器陣的每一換能器依次 發(fā)射初始信號，水聽器依次接收信號，利用單通道逆濾波技術(shù)獲得單通道逆濾波發(fā)射信號； 根據(jù)換能器發(fā)射信號的時延間隔，對每一通道對應的逆濾波發(fā)射信號進行時延取齊，生成 多通道空時逆濾波發(fā)射信號；
[0008] 2)無試樣情況下入射信號的采集：換能器發(fā)射多通道空時逆濾波信號，則根據(jù)空 時逆濾波原理，發(fā)射信號在水聽器處產(chǎn)生空間聚焦且時域為尖脈沖波形，水聽器記錄試樣 的入射信號Pi;
[0009] 3)有試樣情況下透射信號的采集：將敷設聲學覆蓋層的試樣放入測試環(huán)境，重復
[0010] 2)中步驟，記錄有測試樣品時的透射聚焦信號pt。
[0011] 4)插入損失測量值的計算：利用插入損失的計算公式可得
[0013] 其中I1表示插入損失值。
[0014] 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：通過初始導引信號發(fā)射及水聽器接收，得到包含電路信道 和水聲信道信息的接收信號，通過多通道逆濾波技術(shù)，獲得換能器陣每一陣元的發(fā)射信號， 經(jīng)陣發(fā)射，獲得接收水聽器處空間聚焦且時域為脈沖形式的信號，從而實現(xiàn)測量信號的空 間聚焦及時域脈沖壓縮，并抑制混響。
[0015] 與現(xiàn)有的插入損失測量方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0016] 1)利用逆濾波技術(shù)對包括電路信道和水聲信道的整個信號傳遞信道進行求逆計 算獲取發(fā)射信號，實現(xiàn)入射信號的時域脈沖壓縮，有利于多徑信號的分離。
[0017] 2)利用多通道信號的同步發(fā)射，提高入射波主瓣分辨率，降低混響對測量結(jié)果的 影響，同時亦可增加測量參數(shù)的空間分辨率，降低對試樣尺寸及測試空間的要求，特別適用 于中低頻段材料聲學性能測試。
[0018] 3)由于空時逆濾波技術(shù)在非均勻介質(zhì)環(huán)境下同樣成立，因此，可消除測試環(huán)境水 體內(nèi)部機構(gòu)對測量信號的影響。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明方法的測量系統(tǒng)整體示意圖。
[0020] 圖2是多通道空時逆濾波技術(shù)的空間聚焦波形圖。
[0021] 圖3是多通道空時逆濾波技術(shù)的時域脈沖聚焦波形圖。
[0022] 圖4是5毫米厚鋼板試樣插入損失理論及測量試驗結(jié)果對比圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0024] 參照圖1~圖4, 一種基于多通道空時逆濾波技術(shù)的聲學覆蓋層插入損失測量方 法，用于有限空間聲學覆蓋層大樣插入損失的測量。整套測量方法的技術(shù)方案如下：
[0025] 1)生成多通道空時逆濾波發(fā)射信號；
[0026] 無試樣情況下，換能器陣的每一換能器依次發(fā)射初始信號，水聽器依次接收信號， 設發(fā)射信號頻域可表示為s (f)，其中f表示信號頻率，接收信號表示為xn(f)，其中η = 1，2,…，N表示換能器編號，N表示換能器個數(shù)；
[0027] 根據(jù)公式
[0029] 估計每一發(fā)射通道與接收水聽器之間的信道響應函數(shù)Hn (f);為避免求逆計算中 出現(xiàn)的奇異問題，利用公式
[0031] 估計得到信道響應的逆函數(shù)/7J(/)，其中ε為一小值常量，以避免求逆奇異；對 該逆函數(shù)做逆傅里葉變換得到時域二次發(fā)射信號en(t)，其中t表示時間；
[0032] 利用每一發(fā)射換能器的信號發(fā)射時間間隔對逆濾波信號en(t)進行時延取齊，從 而獲得多通道逆濾波發(fā)射信號e n(t_ τ n)，其中τ n為每一發(fā)射通道對應的時延量；
[0033] 2)無試樣時直達信號的采集；
[0034] 如圖1所示，通過計算機系統(tǒng)控制多通道獨立控制信號輸出儀，經(jīng)多通道功率放 大器，利用換能器陣同步發(fā)射由步驟1)生成的空時逆濾波信號，同時，計算機系統(tǒng)控制聚 焦位置處的水聽器記錄沒有測試樣品時的直達信號 P1。
[0035] 3)有試樣時透射信號的采集；
[0036] 將敷設聲學覆蓋層的試樣放入測試環(huán)境，重復2)中步驟，此時記錄有測試樣品時 的透射聚焦信號p t。
[0037] 4)插入損失測量值的計算；
[0038] 通過以上三個步驟可獲得計算插入損失所需的測量數(shù)據(jù)。利用2)和3)采集的入 射信號P 1及透射信號P t，計算可得插入損失測量值為
[0040] 實例說明：為驗證本發(fā)明中多通道逆濾波技術(shù)的空時聚焦效果，開展了仿真分析。 模擬水池測量環(huán)境，設水池深度I. 2m，長度15m，水體聲速為Cw= 1480m/s，水的密度為P w =lg/cm3,水層下面為20cm厚沙層，其聲速分別為Cp= 1700m/s，密度為P s= 1.8g/cm3， 衰減系數(shù)為a s= 〇. 5(1Β/λ，沉積層以下為硬底半無限空間。4個聲源分別位于深度0. 3m、 0· 5m、0. 7m和0· 9m，接收水聽器距離發(fā)射陣10m，深度0· 55m，接收信號平均信噪比為15dB。 逆濾波算法中，ε取〇.〇5。圖2顯示的是多通道空時逆濾波發(fā)射時，信號的空間能量分布 圖，圖3為接收水聽器收到的時域波形，其中信號采樣率為50kHz。由圖可知，多通道空時逆 濾波技術(shù)較好地實現(xiàn)了信號的空間聚焦和時域脈沖聚焦。
[0041] 為驗證多通道空時逆濾波技術(shù)在聲學覆蓋層插入損失測量中的有效性，開展了 水池試驗驗證。實驗室水池長約8m，寬4m，水深I. 6m，波導四面貼有吸聲材料，底部鋪有 0.25m的細沙。實驗中三元發(fā)射陣與測試樣品相距7m。測試試樣為鋼板，其幾何尺寸為 1.1111\1.〇111\5111111，密度為7.84\10 31^/1113，聲速 547〇111/8。該試驗開展了0.51<：]^~201<：]^ 頻率的插入損失數(shù)據(jù)采集和處理。圖4顯示的是鋼板試樣插入損失理論及試驗結(jié)果比較 圖，由圖可知，即使在多徑現(xiàn)象非常嚴重的水池波導條件下，本發(fā)明的測量結(jié)果基本與理論 計算值相一致，各測量頻點對應的相對誤差均小于10%。
【主權(quán)項】
1. 一種基于多通道空時逆濾波技術(shù)的聲學覆蓋層插入損失測量方法，所述測量方法包 括如下步驟： 1) 生成多通道空時逆濾波發(fā)射信號； 2) 無試樣時直達信號的采集：通過計算機系統(tǒng)控制多通道獨立控制信號輸出儀，經(jīng)多 通道功率放大器，利用換能器陣同步發(fā)射由步驟1)生成的空時逆濾波信號，同時，計算機 系統(tǒng)控制聚焦位置處的水聽器記錄沒有測試樣品時的直達信號 Pl; 3) 有試樣時透射信號的采集：將敷設聲學覆蓋層的試樣放入測試環(huán)境，重復2)中步 驟，此時記錄有測試樣品時的透射聚焦信號pt; 4) 插入損失測量值的計算：利用采集的入射信號Pl及透射信號pt，計算插入損失測量2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于多通道空時逆濾波技術(shù)的聲學覆蓋層插入損失測量 方法，其特征在于：所述步驟1)中，生成多通道空時逆濾波發(fā)射信號的過程為：無試樣情 況下，換能器陣的每一換能器依次發(fā)射初始信號，水聽器依次接收信號，設發(fā)射信號頻域可 表示為s(f)，其中f表示信號頻率，接收信號表示為xn(f)，其中η= 1，2,…，N表示換能 器編號，Ν表示換能器個數(shù)，估計每一發(fā)射通道與接收水聽器之間的信道響應函數(shù)Hn(f);為避免求逆計算中出現(xiàn)的奇異問題， 估計得到信道響應的逆函數(shù)CH/)，其中ε為一小值常量，以避免求逆奇異；對該逆函 數(shù)做逆傅里葉變換得到時域二次發(fā)射信號en(t)，其中t表示時間；利用每一發(fā)射換能器 的信號發(fā)射時間間隔對逆濾波信號en(t)進行時延取齊，從而獲得多通道逆濾波發(fā)射信號 en(t-Tn)，其中τη為每一發(fā)射通道對應的時延量。
【專利摘要】一種基于多通道空時逆濾波技術(shù)的聲學覆蓋層插入損失測量方法，包括以下步驟：1)生成多通道空時逆濾波發(fā)射信號；2)無試樣情況下直達信號的采集；3)有試樣情況下透射信號的采集；4)插入損失測量值的計算。本發(fā)明通過發(fā)射陣換能器的恒定間隔發(fā)射及水聽器的依次接收，獲取包含電路信道和水聲信道信息的信道響應函數(shù)，通過簡單而有效的多通道空時逆濾波技術(shù)，實現(xiàn)接收水聽器處空間聲波能量聚焦及時域脈沖波形聚焦，從而達到聲學覆蓋層插入損失測量中多徑信號分離以及混響抑制的目的，并提高了測量參數(shù)的空間分辨率，特別適用于中低頻段材料聲學性能測試。同時，驗證了本發(fā)明在聲學覆蓋層插入損失測量中的有效性。
【IPC分類】G01N29/14
【公開號】CN105301114
【申請?zhí)枴緾N201510683611
【發(fā)明人】李建龍, 李素旋, 肖甫
【申請人】浙江大學
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年10月20日