矢量水聽器在有限空間內(nèi)的測試條件分析與試驗研究

陶 智

（海裝裝備項目管理中心，北京 100071）

0 引言

目前，矢量水聽器的常用校準方法主要有2種[1-2]，一種是自由場比較法，一種是駐波場比較法。2種方法對聲場的測試條件需求相同，即待測水聽器和標準水聽器均需處在相同的聲學(xué)剖面上。隨著矢量水聽器對于低頻性能的要求逐步提升，上述 2種校準方法的限制越來越明顯。對于自由場比較法而言，以往的消聲水池已無法實現(xiàn)更低頻率的消聲效果，而目前國內(nèi)的研究單位很難建立更大的消聲水池；對于駐波場比較法而言，低頻矢量水聽器的尺寸已越來越接近其駐波管內(nèi)徑，這會導(dǎo)致測量誤差越來越大，而建立更大的駐波管也面臨著更復(fù)雜的工藝實現(xiàn)難題。因此尋找低頻矢量水聽器更好的校準方法成為了新的研究熱點。

小型水槽（體積約為1 m3～10 m3）在測試高頻換能器的聲學(xué)性能中被廣泛應(yīng)用，其方法是利用脈沖聲技術(shù)以近似實現(xiàn)短暫的自由場。而在這種有限空間內(nèi)，當(dāng)聲源發(fā)射低頻聲波時則會形成簡正波，其分布特性是否有利于矢量水聽器的校準，是一個值得研究和探討的問題。本文利用 COMSOL Multiphysics軟件仿真分析了小型水槽內(nèi)部的聲場分布特性，并與試驗結(jié)果進行了對比[1]。

1 有限空間聲場理論

本文研究的是封閉小型水槽內(nèi)部的聲場分布特性，可以參照室內(nèi)聲學(xué)理論[3,4]。聲源在密閉空間內(nèi)，既有球面波的自由輻射，又有聲波傳播到界面上經(jīng)過數(shù)次反射后形成的不同階數(shù)的簡正波。聲壓幅值的變化與球面波衰減規(guī)律有著很大的不同，在某一區(qū)域內(nèi)聲壓隨距離的增大而變大，而在另一區(qū)域內(nèi)聲壓值則變小。

假設(shè)長方體封閉水槽的長、寬、高分別為lx、ly、lz，6個面均為剛性，由此可建立直角坐標系內(nèi)的波動方程

2 密閉水槽聲場仿真

由于封閉小水槽內(nèi)聲壓的分布復(fù)雜，且受多種因素的影響，所以選取一個合適的仿真軟件是非常重要的。Comsol軟件具有可實現(xiàn)多物理場耦合的特點，且其中內(nèi)置多種耦合模塊，可以直接選定所需的物理場建模，較為方便。

2.1 聲場模型建立

首先構(gòu)建一個一定尺寸的長方體，將其充滿水，而后選定殼體材料添加到邊界面上，并給定殼體厚度。不同的材料，其自身性質(zhì)，包括密度、楊氏模量、泊松比等也不盡相同。在其中放入聲源，聲源的放置與水槽尺寸和材料有關(guān)，選擇適當(dāng)規(guī)格的網(wǎng)格進行劃分，然后設(shè)定頻率范圍并計算得出結(jié)果，如圖 1所示。為了便于觀測，可在結(jié)果中選擇多種圖像如等值面、多切面等，也可在圖像上取值記錄或?qū)С鰯?shù)據(jù)表格。

2.2 水槽聲學(xué)模態(tài)

當(dāng)水槽的尺寸和材料確定后，水槽內(nèi)部聲場會出現(xiàn)聲學(xué)模態(tài)，以1.0 m×0.5 m×0.5 m尺寸、鋁合金材料的水槽為例。在軟件中選擇壓力聲學(xué)中的特征頻率物理場，畫出水槽后，添加材料后劃分網(wǎng)格求解?？汕蟪?，在20 Hz～2 000 Hz頻段內(nèi)共有3個特征頻率，分別為740 Hz、1 481 Hz、1 656 Hz，如圖2所示。在這3個頻點處，聲壓分布可能會出現(xiàn)較大的起伏。因此，在接下來的仿真中，觀察各頻點上的聲壓分布時，頻點的選取應(yīng)避開這些特征頻率，以保證試驗的一般規(guī)律性，防止因某個頻點上聲壓分布與其他頻點上的聲壓分布規(guī)律相差較大而造成影響。

圖1 聲場模型建立

圖2 水槽中聲學(xué)模態(tài)特征頻率

2.3 水槽尺寸對聲壓分布影響

本節(jié)水槽選取的材料為鋁合金 3003，水槽殼體厚度為5 mm，每個點源的功率都為1 W，觀察不同尺寸的水槽對聲場聲壓分布情況的影響。圖3為100 Hz和800 Hz頻率處2個尺寸水槽內(nèi)部聲壓的分布情況切面圖。1個水槽的尺寸為2 m×1.5 m×1.5 m，1個水槽的尺寸是1.5 m×1 m×1 m，通過對切面圖進行分析，可觀察各尺寸下的聲壓分布特性。

通過觀察圖 3a)和圖 4a)，可以看出各水槽在800 Hz頻率上聲壓分布的均勻性很好，而在100 Hz處則有一些明顯的起伏，總體觀測1.5 m×1 m× 1 m尺寸水槽聲壓分布情況比較均勻。

2.4 水槽厚度對聲壓分布影響

選用為上一節(jié)中聲壓分布情況較好的1.5 m×1 m×1 m的水槽，材料依舊為鋁合金，厚度取5 mm和10 mm這2種進行仿真。通過分析切面圖，可以觀察各尺寸下的聲壓分布特性。

通過圖5和圖6可以看出，不同厚度下，相同頻率聲壓分布有很大的不同。隨著水槽殼體厚度的增加，聲壓分布起伏也隨之變大。

圖3 2 m×1.5 m×1.5 m尺寸水槽聲壓分布切面圖

圖4 1.5 m×1 m×1 m尺寸水槽聲壓分布切面圖

圖5 殼體厚度為5 mm水槽聲壓分布切面圖

圖6 殼體厚度為10 mm水槽聲壓分布切面圖

3 密閉水槽聲場掃描試驗

為了驗證仿真結(jié)果的準確性，需在水槽中測量聲壓分布情況，再與仿真結(jié)果比較。試驗水槽的尺寸為1.52 m×1.24 m×1.09 m，分別取距水面7 cm、12 cm、17 cm、22 cm、27 cm這5個深度，在每個深度上取5個點，在頻率為100 Hz、1 000 Hz時，分別測量每種深度下5個點的聲壓值。在歸一化處理后，可以得到每種頻率下各點上的歸一化數(shù)值，變化趨勢如圖7所示。

圖7 各點聲壓歸一化

通過試驗與仿真比較可以看出，在發(fā)射換能器的上方同一深度下，聲壓的水平分布均較為平坦，但在不同深度上存在較大的偏差，主要原因為：1）信噪比較低產(chǎn)生的測量誤差；2）仿真水槽為上端閉口，仿真模型與試驗所用的水槽不完全一致。

4 結(jié)論

本文利用仿真軟件對小型水槽內(nèi)部的聲場分布特性進行了仿真與試驗研究，仿真結(jié)果顯示，減小殼體的厚度可以提高水槽內(nèi)聲壓分布的均勻性，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果在趨勢上基本一致；但在具體數(shù)值上仍有一定的誤差，需通過后續(xù)更加細致的方針和大量試驗來提升準確性。本文研究得到的結(jié)論對研究性能更優(yōu)越的矢量水聽器校準方法提供了新的思路。