收發合置水聲管中使用寬帶脈沖的吸聲測量方案

趙淵博，侯宏，孫亮

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收發合置水聲管中使用寬帶脈沖的吸聲測量方案

趙淵博，侯宏，孫亮

(西北工業大學航海學院，陜西西安 710072)

水聲管是水聲材料吸聲測量的重要實驗平臺。對于收發合置換能器水聲管系統，目前常用的吸聲測量信號是調制正弦信號。為了實現寬帶測試，提出了水聲管中寬帶聲脈沖的產生方法，并設計了電子開關延時控制電路。給出了基于收發合置型換能器水聲管中寬帶吸聲測量結果。

收發合置換能器；脈沖聲；寬帶測試

0 引言

水聲管是水聲材料吸聲測量的重要實驗平臺。目前常用的方法是CW脈沖法和傳遞函數法[1]。用CW脈沖法測量時，聲管頂部放置待測樣本，聲管底部是收發兩用型換能器。利用回波信號與入射信號幅度比計算吸聲系數。根據聲管內徑的不同，CW脈沖高頻可到15 kHz，但低頻大約在500 Hz左右。傳遞函數法測量使用寬帶信號，具有簡便、快捷的優點，但水聽器之間的相位失配對測試結果，特別是對低頻測試結果影響很大。當前，國內已有利用傳遞函數方法的測試水聲管，頻率范圍大約為400~4000 Hz[1]。

脈沖聲具有時間空間延續短暫、頻率成份豐富的特點，在吸聲與隔聲測量中有顯著的優勢。孫亮等對空氣中可控脈沖聲的產生及其用于吸聲與隔聲的測試方法進行了深入的研究[2-6]。另外，在消聲水池中，也得到了長度為0.5 ms的巴特沃斯脈沖，并用于隔聲測量[6]。

在空氣聲中進行吸聲與(或)隔聲測量時，聲源與傳聲器是分離的。然而，水聲管測量時采用的是“收發合置”換能器，基于脈沖聲的吸聲測試方案與空氣聲不同。本文提出了收發合置換能器中寬帶脈沖聲的產生方法及吸聲測量方案，并給出了一組測量結果。

1 水聲管中寬帶脈沖聲的產生

聲脈沖產生裝置如圖1所示，包括換能器、B&K8103水聽器、B&K2716功率放大器、B&K2692信號調理器、Agilent3320A信號源與計算機。其中，水聲管材質為不銹鋼，管長為6 m、內徑為120 mm。水聲管垂直放置，水聽器置于管中，用于產生聲脈沖。通過多次實驗發現，水聽器距離換能器過近或過遠，產生的脈沖效果都不太好。本文實驗中，水聽器距換能器為4 m。

圖1 聲脈沖產生裝置

聲脈沖產生的原理在文獻[6]中已詳細描述，本文不再贅述。

由于實驗用換能器的中心頻率在7 kHz附近。設計一種寬帶脈沖信號如圖2所示：其中心頻率為7 kHz，3 dB帶寬在3~9 kHz范圍，時間長度約為0.5 ms。該信號頻率范圍與換能器對應。時域波形光滑、振蕩無突變，便于換能器發射。該脈沖信號時間短暫，用于吸聲測量時可以將各類波分離開。而且信號的重復性好，可通過多次測量平均以消除背景噪聲的影響，提高測量信噪比。

圖2 信號的時域波形與頻譜

首先用該信號測量聲發射系統的傳遞特征。

將水聽器置于距換能器4 m處，管長6 m充滿水，標準反射體固定于管口。水中聲速約為1480 m/s，水聽器接收到入射波與反射波的時間應該分別為2.7、5.4 ms。設計信號的起始時間約為237.4 ms，因此實際到達時間為330.1、332.8 ms。

圖3是水聽器接收的響應信號的一部分。從水聽器采集到的波形圖來看，第一個波是入射波，大約在330 ms處，第二個波是反射波，大約在333 ms處，與上述分析的時間對應。后續還有聲音在換能器與標準反射體間的多次反射波，幅值很小可以忽略。

圖3 響應信號波形圖

系統的輸入信號部分波形如圖2所示，輸出信號部分波形如圖3所示，根據脈沖產生的方法，利用圖2與圖3的信號，可以確定系統的傳遞函數；再選擇圖2的輸入信號作為測量用入射聲脈沖，結合聲發射系統的傳遞函數，可以解算出所需的驅動信號，圖4為驅動信號中非零的2900個點。

圖4 驅動信號圖

由圖4可以看到，驅動信號具有周期性，這主要來源于管口反射，它抵消了這一部分信號，故能得到完整的脈沖信號。

用此驅動信號重新激勵換能器，水聽器采集的聲脈沖如圖5所示。可見，最終得到的聲脈沖波形與設計信號圖2基本符合，周圍出現了少量雜波。

圖5 脈沖波形與頻譜圖

2 基于收發合置換能器的吸聲測量原理

使用收發合置換能器測量時，測量系統與信號流程如圖6所示。其中，信號發射系統包括信號源、功率放大器與換能器；信號接收系統包括換能器、信號調理器與示波器。為了控制換能器在發射狀態與接收狀態之間的轉換，設計了一個控制電路并開發了控制軟件。

2.1 測量原理

測量中信號流程如下：由計算機產生數字信號1，經過發射系統得到模擬信號2，激勵換能器，在水聲管里產生入射聲波信號3；3經由標準反射體或待測樣本反射后的回波聲信號為3，換能器接收后轉換為信號2，經接收系統由計算機采集得到數字信號1。

圖6 測量系統與流程圖

待測樣本的反射系數由入射波3(取幅值)與反射波3(取幅值)計算：

吸聲系數由反射系數計算得到：

從上述流程可以看出，發射系統的輸入信號1與接收系統的輸出信號1是可測量，而參與計算的信號為3與3，經過了輸入、輸出系統與換能器，它們之間的關系說明如下：

假設由1到3的系統傳遞函數為，由3到1的系統傳遞函數為1，整個傳遞系統可看做線性系統，與1的計算公式為

反射系數為

在式(3)中，與1需要得到。

在待測材料為標準反射體條件下，設系統(圖6)的輸入與輸出信號分別為、、與、、。對于剛性標準反射體，；對于柔性標準反射體，。

標準反射體條件下，式(3)轉化為

因此，

式(5)說明，可以由標準反射體測量獲得整個系統的傳遞特征。

聯立式(3)和式(5)，可得待測樣本的反射系數為

進一步由式(2)計算樣本的吸聲系數。

綜上所述，實際測量時需要兩個步驟：首先，由標準反射體測量獲得整個系統的傳遞特征；然后，放置待測樣本，由輸入信號1、輸出信號1以及相同的傳遞函數，按照式(6)計算反射系數，進一步由式(2)計算吸聲系數。數據處理在頻域進行，只需要考慮幅度譜。

2.2 電子開關與延時控制

由于換能器是“收發合置”型，需要電子開關實現在發射與接收兩個狀態間的轉換。以目前最長的10 m水聲管計算，切換時間最大約13 ms。為此，設計了一套時序控制電路與可編程測試儀器來實現開關與延時功能。

實驗裝置如圖7所示，包括測量與時序控制兩部分，換能器、功率放大器和信號調理器同上述，時序控制部分主要是MP430單片機、信號發生器33521A、數字示波器2024A；系統軟件設計采用NI公司的Labwindows/CVI虛擬儀器技術，對儀器進行控制。

圖7 實驗裝置圖

時序控制部分工作原理類似于一個單刀雙擲開關；發射信號時，開關導通成發射狀態，切斷接收端；需要接收時，開關導通至接收狀態，切斷輸入端。

此外，對系統使用的信號調理描述如下：系統一般都需要信號調理，用于將原始信號以及傳感器的輸出接口到數據采集板或模塊上。通過信號調理的各種功能，如信號的放大、隔離、濾波、多路轉換等，使得數據采集系統的可靠性及性能得到極大改善。在電路設計中應該使用該硬件模塊，本文使用了現成的儀器。

信號調理具有的功能在本文中為傳感器即換能器提供低壓輸出的模擬信號及提高模擬信號轉換成數字信號的精度，實現信號放大或衰減、采樣同步、頻率-電壓的轉換等功能。模擬信號在數字化前必須進行低通濾波，以消除噪聲和防止混疊。同時也可以使用信號調理模塊濾除50Hz的工頻噪聲，使其輸入的模擬信號的最大值剛好等于A/D轉換設備的輸入范圍，滿足對信號放大與信噪比的要求。

3 實驗結果分析

在常溫常壓下，對某材料進行吸聲測量。將樣品置于管口，緊貼標準反射體。使用第1節中生成的脈沖聲(見圖5)，用其驅動信號激勵換能器(如圖4，這里取其前250點，包含了能量最集中部分)，圖8為換能器采集到信號的第一個反射波，后續波形幅值很小可忽略，由于電路影響帶入低頻干擾，對其作了濾波處理(見圖8(b))，從圖中可以看出，濾波后效果較好。

圖8 換能器采集信號

按照第2節的測量思路，去掉待測材料，換能器再次發射驅動并采集信號。經濾波處理后，從兩次采集的信號中分離材料吸收聲波前后的入射波與反射波，如圖9所示。需要說明的是，由于是分兩次采集入射波與反射波，兩者起始時間是一致的，只是為了區別，畫在不同的區間。

圖9 入射波與反射波

根據式(6)與驅動信號和分離出的入射波和反射波數據，求解材料復反射系數，進而由式(2)計算吸聲系數。如圖10所示。頻率范圍在3~9 kHz間。

圖10 吸聲系數

在相同條件下，用CW波法測量了此材料的吸聲系數，與脈沖法作比較，結果如圖11所示。

圖11 結果對比

由圖11可以看到：在5 kHz以上，兩種方法獲得的吸聲系數偏差在5%以內，在3~5 kHz有一定差別。主要原因是換能器在該頻段響應較小，數據處理時會引起較大的誤差。總體上看，使用寬帶脈沖測試結果是可信的。聲管直徑與換能器輻射響應限制、樣品安裝精度、入射波與反射波截取等都是影響測量結果的誤差因素。

4 結論

本文介紹了水聲管中寬帶聲脈沖產生方法，使用了電子開關延時控制電路，描述了基于收發合置型換能器水聲管中樣本吸聲測量原理，給出了脈沖法與CW波法測量結果的對比。結果表明：脈沖法只需一次測量可以獲得寬頻帶范圍的吸聲系數，該方法利用現有水聲管硬件設備，可實現吸聲測量。

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An improvement scheme of broadband sound absorption measurement in water-filled impedance tube with monostatic transducer

ZHAO Yuan-bo,HOU Hong,SUN Liang

(College of Marine, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072,Shaanxi, China)

Water-filled impedance tube is an important platform for sound absorption measurement. For the test system with monostatic transducer, the common used signal is the pulse modulated sine-wave, which is essentially a single frequency measurement. In order to implement broadband sound absorption measurement, an impulsive sound is generated in water-filled impedance tube, and a time sequence control system is designed for the monostatic transducer generating the impulsive sound and picking up the echo-signal. The principle of sound absorption measurement is explained and a test example is shown.

monostatic transducer; impulsive sound; measurement in broadband frequency range

TU112.2+2

A

1000-3630(2014)-03-0213-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.03.006

2012-11-19;

2013-02-25

國家自然科學基金資助項目(11204242)。

趙淵博(1987－), 男, 河南鄭州人, 碩士研究生, 研究方向為水聲 測量。

趙淵博, E-mail: windin9th@sina.com