第三章水聲測(cè)量一、測(cè)量條件二、脈沖聲技術(shù)三、實(shí)驗(yàn)一、測(cè)量條件1.基本概念2.自由場(chǎng)的建立3.測(cè)量距離的確定1.基本概念（1）自由場(chǎng)（2）遠(yuǎn)場(chǎng)（3）近場(chǎng)（1）自由場(chǎng)均勻各向同性的媒質(zhì)中，邊界影響可以不計(jì)時(shí)的聲場(chǎng).（2）遠(yuǎn)場(chǎng)自由聲場(chǎng)中，離聲源遠(yuǎn)處瞬時(shí)聲壓與瞬時(shí)質(zhì)點(diǎn)振速同相的聲場(chǎng)。（3）近場(chǎng)自由聲場(chǎng)中，聲源附近瞬時(shí)聲壓與瞬時(shí)質(zhì)點(diǎn)振速不同相的聲場(chǎng)。2.自由場(chǎng)的建立（1）天然水域（2）實(shí)驗(yàn)室（1）天然水域自由場(chǎng)條件·水域應(yīng)有足夠的空間，以便從邊界反射回來(lái)的干擾能用脈沖聲技術(shù)、消聲邊界或長(zhǎng)距離傳輸?shù)确椒ㄏ?；·?yīng)有很低的噪聲環(huán)境，以保證測(cè)量所需的信噪比；·在水介質(zhì)中要避免有可能引起折射和散射的任何因素，諸如流、溫度梯度、海洋生物、氣泡和污物等；

·要有良好的氣候條件，以保證測(cè)量的順利進(jìn)行和便利；

·在高頻和超聲頻范圍測(cè)量時(shí)，水深通常小于20m；對(duì)1kHz以下的頻率，水深應(yīng)大于20m。（2）實(shí)驗(yàn)室自由場(chǎng)條件：

·消聲水池

·非消聲水池采用脈沖聲技術(shù)3.測(cè)量距離的確定（1）遠(yuǎn)場(chǎng)判據(jù)（2）等效聲中心的確定(1)遠(yuǎn)場(chǎng)判據(jù)①理論推導(dǎo)

以活塞發(fā)射器和點(diǎn)接收器組成的系統(tǒng)為例，推導(dǎo)遠(yuǎn)場(chǎng)距離判據(jù)。式中：

——活塞發(fā)射器表面振動(dòng)幅度

——水中聲速——水的密度

——活塞上面元到觀察點(diǎn)的距離c——面元面積

ds

r（i）遠(yuǎn)場(chǎng)特性

式中：a—活塞發(fā)射器半徑；

（ii）近場(chǎng)特性

a活塞面中心點(diǎn)處,r=0時(shí)圓面活塞中心點(diǎn)處聲壓根據(jù)a與λ之間關(guān)系可以確定可大可小。

prb在活塞法線上聲壓幅值極大極小點(diǎn)處

n=0,1,2···p=max

n=0,1,2···p=0pr在法線上將會(huì)出現(xiàn)聲壓極大、極小值的交替分布現(xiàn)象離發(fā)射面最遠(yuǎn)處聲壓極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)于n=0即

這表明，最后一個(gè)最大值的位置恰好是邊緣聲線和軸向聲線程差為的點(diǎn)，超過(guò)此點(diǎn)，活塞面上任何兩個(gè)元波到達(dá)法線上點(diǎn)的程差都小于，聲壓幅值變?yōu)閱握{(diào)的減小，于是聲場(chǎng)逐漸進(jìn)入弗朗霍夫爾區(qū)。在此點(diǎn)附近，聲壓幅值變化很緩慢，類似于平面波。

接近遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)（分析近場(chǎng)公式）r》a時(shí)，若時(shí)，即則c當(dāng)很小時(shí)，所以即若

聲壓幅值按照球面波規(guī)律衰減。②結(jié)論活塞發(fā)射器和點(diǎn)接收器組成的系統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)距離判據(jù)為：③經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于均勻圓形活塞換能器代表一定誤差下對(duì)相位的要求；（正弦函數(shù)用小角度代替）

代表一定誤差下對(duì)幅度的要求；（二項(xiàng)式展開(kāi)舍去高次項(xiàng)）

近似于圓形或方形活塞

面積/波長(zhǎng)

最大線度尺寸最大線度尺寸L對(duì)于其他情況聲場(chǎng)誤差小于0.5dBL2/λ（2）等效聲中心的確定①問(wèn)題的提出d0Δddpdd0ΔddpdΔddpdd000`000`0`PdP2P1d1d2do

pd——遠(yuǎn)場(chǎng)中某處聲壓；

d——以參考點(diǎn)為起點(diǎn)的測(cè)量距離；Δd——參考點(diǎn)與實(shí)際聲中心的偏差。②確定方法

O`Δd二、脈沖聲技術(shù)1、原理2、實(shí)現(xiàn)方法1、原理

利用正弦填充矩形脈沖信號(hào)或不同于連續(xù)單頻信號(hào)的短促脈沖信號(hào)激勵(lì)發(fā)射換能器，并控制接收系統(tǒng)使其只在脈沖聲信號(hào)從發(fā)射器直達(dá)水聽(tīng)器的那一段時(shí)間內(nèi)接收和測(cè)量，而在此段時(shí)間之前到達(dá)的脈沖電信號(hào)（如電串漏信號(hào)）或此段時(shí)間之后到達(dá)的脈沖聲信號(hào)（如從水面、水底、池壁或支架等反射的信號(hào)）將被接收系統(tǒng)拒絕接收，這樣即可將被測(cè)有用信號(hào)與不希望的噪聲信號(hào)在時(shí)域上分離開(kāi)來(lái)，從而形成時(shí)間域上的自由場(chǎng)。工作原理?t（1）電串漏信號(hào)：電或電磁的信號(hào)，經(jīng)非聲學(xué)途徑傳播，是發(fā)射與接收系統(tǒng)直接電耦合所至，可能是接地線不妥當(dāng)或水聽(tīng)器屏蔽不好。（2）直達(dá)信號(hào)：經(jīng)聲傳播時(shí)間延遲后到達(dá)，由于電子設(shè)備和換能器濾波特性，致使直達(dá)脈沖信號(hào)形狀產(chǎn)生畸變。（3）反射信號(hào)：由于各種反射途徑均比直達(dá)聲程遠(yuǎn)，因此各種反射波均在直達(dá)聲后面出現(xiàn)。?t?t?t?t工作示意圖

HdBL4567（I）避免邊界影響2、實(shí)現(xiàn)方法（1）脈沖寬度（τ）的選擇（Ⅱ）換能器尺寸大于聲波長(zhǎng)時(shí)，避免換能器之間的反射影響（Ⅲ）為與連續(xù)信號(hào)測(cè)量相比擬，使換能器達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件Q——發(fā)射換能器的品質(zhì)因數(shù)；fo——發(fā)射換能器的諧振頻率。（Ⅴ）為保證聲信號(hào)不發(fā)生畸變，測(cè)試設(shè)備等帶寬應(yīng)為（Ⅳ）為與連續(xù)信號(hào)測(cè)量相比擬，使換能器各部分之間完成相互作用l——沿聲波傳播方向上水聽(tīng)器的尺寸；

T60——水池混響時(shí)間。

（2）脈沖周期的選擇三、實(shí)驗(yàn)

1.水聲換能器指向性測(cè)量

2.水聲發(fā)射器發(fā)送電壓響應(yīng)測(cè)量

3.水聽(tīng)器自由場(chǎng)電壓靈敏度測(cè)量1.水聲換能器指向性特性測(cè)量方法（GB7965-87）（1）測(cè)量方法發(fā)射器指向性測(cè)量發(fā)射器接收器d

將待測(cè)發(fā)射換能器安裝在測(cè)量回轉(zhuǎn)桿上,標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器置于待測(cè)發(fā)射換能器聲軸方向的遠(yuǎn)場(chǎng)。回轉(zhuǎn)桿必須通過(guò)換能器的有效聲中心,否則發(fā)射器和接收器間距必須比有效聲中心和轉(zhuǎn)軸間距大100倍。發(fā)射器和接收器的間距要滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。

將頻率為待測(cè)發(fā)射換能器諧振頻率f的電信號(hào)加到待測(cè)發(fā)射換能器上,且保持加到換能器上電流(或電壓)恒定(即保持發(fā)射聲場(chǎng)穩(wěn)定不變)。轉(zhuǎn)動(dòng)待測(cè)換能器,記下發(fā)射換能器不同方位上水聽(tīng)器輸出電壓值。

將待測(cè)水聽(tīng)器安裝在測(cè)量回轉(zhuǎn)桿上,回轉(zhuǎn)桿必須通過(guò)換能器的有效聲中心,否則發(fā)射器和接收器間距必須比有效聲中心和轉(zhuǎn)軸間距大100倍。發(fā)射器和接收器的間距要滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。將頻率為待測(cè)水聽(tīng)器相應(yīng)工作頻率f的電信號(hào)加到輔助發(fā)射器上,且保持其發(fā)射聲場(chǎng)恒定不變。轉(zhuǎn)動(dòng)待測(cè)水聽(tīng)器,記下各個(gè)方向上水聽(tīng)器的輸出電壓。如果用自動(dòng)記錄儀,轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不能太快。手動(dòng)時(shí),要注意角度誤差和極值位置(如果回轉(zhuǎn)系統(tǒng)有回差,要朝一個(gè)方向轉(zhuǎn))。發(fā)射器接收器d

水聽(tīng)器指向性測(cè)量（2）實(shí)驗(yàn)室指向性測(cè)量系統(tǒng)

YE5871YE5810

GFG3015GOS6050

水聽(tīng)器H

發(fā)射器F

①歸一化處理；

②繪制圖形；極坐標(biāo)形式或直角坐標(biāo)形式。指明頻率和定向平面。

③確定波束寬度及旁瓣級(jí)。（3）指向性測(cè)量數(shù)據(jù)處理

（1）測(cè)量方法分為一級(jí)校準(zhǔn)和二級(jí)校準(zhǔn)兩個(gè)級(jí)別：

A.一級(jí)校準(zhǔn)可以使用已校準(zhǔn)的信號(hào)源、放大器、電壓表和阻抗電橋等儀表，但不需要已校準(zhǔn)的換能器。

B.二級(jí)校準(zhǔn)需要使用已校準(zhǔn)的換能器作為參考標(biāo)準(zhǔn)。2.水聽(tīng)器自由場(chǎng)電壓靈敏度和發(fā)射器發(fā)送電壓響應(yīng)測(cè)量方法（2）比較法（標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器作參考）

F

F

轉(zhuǎn)移電阻抗

Hp

Hx

實(shí)驗(yàn)室自由場(chǎng)靈敏度測(cè)量方法（1）dpdxpppxeopeox實(shí)驗(yàn)室自由場(chǎng)靈敏度測(cè)量方法（2）ddpeopeox實(shí)驗(yàn)室發(fā)送電壓響應(yīng)測(cè)量方法dpdeop測(cè)量原理圖（標(biāo)準(zhǔn)聲源作參考）