趙淵博，侯宏，孫亮

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收發(fā)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(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710072)

水聲管是水聲材料吸聲測量的重要實(shí)驗(yàn)平臺。對于收發(fā)合置換能器水聲管系統(tǒng)，目前常用的吸聲測量信號是調(diào)制正弦信號。為了實(shí)現(xiàn)寬帶測試，提出了水聲管中寬帶聲脈沖的產(chǎn)生方法，并設(shè)計(jì)了電子開關(guān)延時控制電路。給出了基于收發(fā)合置型換能器水聲管中寬帶吸聲測量結(jié)果。

收發(fā)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(shí)驗(yàn)平臺。目前常用的方法是CW脈沖法和傳遞函數(shù)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(fā)兩用型換能器。利用回波信號與入射信號幅度比計(jì)算吸聲系數(shù)。根據(jù)聲管內(nèi)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(shù)法測量使用寬帶信號，具有簡便、快捷的優(yōu)點(diǎn)，但水聽器之間的相位失配對測試結(jié)果，特別是對低頻測試結(jié)果影響很大。當(dāng)前，國內(nèi)已有利用傳遞函數(shù)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(xù)短暫、頻率成份豐富的特點(diǎn)，在吸聲與隔聲測量中有顯著的優(yōu)勢。孫亮等對空氣中可控脈沖聲的產(chǎn)生及其用于吸聲與隔聲的測試方法進(jìn)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(jìn)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(fā)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(fā)合置換能器中寬帶脈沖聲的產(chǎn)生方法及吸聲測量方案，并給出了一組測量結(jié)果。

1 水聲管中寬帶脈沖聲的產(chǎn)生

聲脈沖產(chǎn)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(diào)理器、Agilent3320A信號源與計(jì)算機(jī)。其中，水聲管材質(zhì)為不銹鋼，管長為6 m、內(nèi)徑為120 mm。水聲管垂直放置，水聽器置于管中，用于產(chǎn)生聲脈沖。通過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水聽器距離換能器過近或過遠(yuǎn)，產(chǎn)生的脈沖效果都不太好。本文實(shí)驗(yàn)中，水聽器距換能器為4 m。

圖1 聲脈沖產(chǎn)生裝置

聲脈沖產(chǎn)生的原理在文獻(xiàn)[6]中已詳細(xì)描述，本文不再贅述。

由于實(shí)驗(yàn)用換能器的中心頻率在7 kHz附近。設(shè)計(jì)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(yīng)。時域波形光滑、振蕩無突變，便于換能器發(fā)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(fù)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(fā)射系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)該分別為2.7、5.4 ms。設(shè)計(jì)信號的起始時間約為237.4 ms，因此實(shí)際到達(dá)時間為330.1、332.8 ms。

圖3是水聽器接收的響應(yīng)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(yīng)。后續(xù)還有聲音在換能器與標(biāo)準(zhǔn)反射體間的多次反射波，幅值很小可以忽略。

圖3 響應(yīng)信號波形圖

系統(tǒng)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(jù)脈沖產(chǎn)生的方法，利用圖2與圖3的信號，可以確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；再選擇圖2的輸入信號作為測量用入射聲脈沖，結(jié)合聲發(fā)射系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，可以解算出所需的驅(qū)動信號，圖4為驅(qū)動信號中非零的2900個點(diǎn)。

圖4 驅(qū)動信號圖

由圖4可以看到，驅(qū)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(qū)動信號重新激勵換能器，水聽器采集的聲脈沖如圖5所示?？梢?，最終得到的聲脈沖波形與設(shè)計(jì)信號圖2基本符合，周圍出現(xiàn)了少量雜波。

圖5 脈沖波形與頻譜圖

2 基于收發(fā)合置換能器的吸聲測量原理

使用收發(fā)合置換能器測量時，測量系統(tǒng)與信號流程如圖6所示。其中，信號發(fā)射系統(tǒng)包括信號源、功率放大器與換能器；信號接收系統(tǒng)包括換能器、信號調(diào)理器與示波器。為了控制換能器在發(fā)射狀態(tài)與接收狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了一個控制電路并開發(fā)了控制軟件。

2.1 測量原理

測量中信號流程如下：由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生數(shù)字信號1，經(jīng)過發(fā)射系統(tǒng)得到模擬信號2，激勵換能器，在水聲管里產(chǎn)生入射聲波信號3；3經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換為信號2，經(jīng)接收系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)采集得到數(shù)字信號1。

圖6 測量系統(tǒng)與流程圖

待測樣本的反射系數(shù)由入射波3(取幅值)與反射波3(取幅值)計(jì)算：

吸聲系數(shù)由反射系數(shù)計(jì)算得到：

從上述流程可以看出，發(fā)射系統(tǒng)的輸入信號1與接收系統(tǒng)的輸出信號1是可測量，而參與計(jì)算的信號為3與3，經(jīng)過了輸入、輸出系統(tǒng)與換能器，它們之間的關(guān)系說明如下：

假設(shè)由1到3的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為，由3到1的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為1，整個傳遞系統(tǒng)可看做線性系統(tǒng)，與1的計(jì)算公式為

反射系數(shù)為

在式(3)中，與1需要得到。

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

標(biāo)準(zhǔn)反射體條件下，式(3)轉(zhuǎn)化為

因此，

式(5)說明，可以由標(biāo)準(zhǔn)反射體測量獲得整個系統(tǒng)的傳遞特征。

聯(lián)立式(3)和式(5)，可得待測樣本的反射系數(shù)為

進(jìn)一步由式(2)計(jì)算樣本的吸聲系數(shù)。

綜上所述，實(shí)際測量時需要兩個步驟：首先，由標(biāo)準(zhǔn)反射體測量獲得整個系統(tǒng)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(shù)，按照式(6)計(jì)算反射系數(shù)，進(jìn)一步由式(2)計(jì)算吸聲系數(shù)。數(shù)據(jù)處理在頻域進(jìn)行，只需要考慮幅度譜。

2.2 電子開關(guān)與延時控制

由于換能器是“收發(fā)合置”型，需要電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)在發(fā)射與接收兩個狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。以目前最長的10 m水聲管計(jì)算，切換時間最大約13 ms。為此，設(shè)計(jì)了一套時序控制電路與可編程測試儀器來實(shí)現(xiàn)開關(guān)與延時功能。

實(shí)驗(yàn)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(diào)理器同上述，時序控制部分主要是MP430單片機(jī)、信號發(fā)生器33521A、數(shù)字示波器2024A；系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用NI公司的Labwindows/CVI虛擬儀器技術(shù)，對儀器進(jìn)行控制。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置圖

時序控制部分工作原理類似于一個單刀雙擲開關(guān)；發(fā)射信號時，開關(guān)導(dǎo)通成發(fā)射狀態(tài)，切斷接收端；需要接收時，開關(guān)導(dǎo)通至接收狀態(tài)，切斷輸入端。

此外，對系統(tǒng)使用的信號調(diào)理描述如下：系統(tǒng)一般都需要信號調(diào)理，用于將原始信號以及傳感器的輸出接口到數(shù)據(jù)采集板或模塊上。通過信號調(diào)理的各種功能，如信號的放大、隔離、濾波、多路轉(zhuǎn)換等，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性及性能得到極大改善。在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該使用該硬件模塊，本文使用了現(xiàn)成的儀器。

信號調(diào)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號的精度，實(shí)現(xiàn)信號放大或衰減、采樣同步、頻率-電壓的轉(zhuǎn)換等功能。模擬信號在數(shù)字化前必須進(jìn)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(diào)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(zhuǎn)換設(shè)備的輸入范圍，滿足對信號放大與信噪比的要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在常溫常壓下，對某材料進(jìn)行吸聲測量。將樣品置于管口，緊貼標(biāo)準(zhǔn)反射體。使用第1節(jié)中生成的脈沖聲(見圖5)，用其驅(qū)動信號激勵換能器(如圖4，這里取其前250點(diǎn)，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(xù)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(jié)的測量思路，去掉待測材料，換能器再次發(fā)射驅(qū)動并采集信號。經(jīng)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(qū)別，畫在不同的區(qū)間。

圖9 入射波與反射波

根據(jù)式(6)與驅(qū)動信號和分離出的入射波和反射波數(shù)據(jù)，求解材料復(fù)反射系數(shù)，進(jìn)而由式(2)計(jì)算吸聲系數(shù)。如圖10所示。頻率范圍在3~9 kHz間。

圖10 吸聲系數(shù)

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

圖11 結(jié)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(shù)偏差在5%以內(nèi)，在3~5 kHz有一定差別。主要原因是換能器在該頻段響應(yīng)較小，數(shù)據(jù)處理時會引起較大的誤差。總體上看，使用寬帶脈沖測試結(jié)果是可信的。聲管直徑與換能器輻射響應(yīng)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(jié)果的誤差因素。

4 結(jié)論

本文介紹了水聲管中寬帶聲脈沖產(chǎn)生方法，使用了電子開關(guān)延時控制電路，描述了基于收發(fā)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(jié)果的對比。結(jié)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(shù)，該方法利用現(xiàn)有水聲管硬件設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)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(xué)基金資助項(xiàng)目(11204242)。

趙淵博(1987－), 男, 河南鄭州人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樗?測量。

趙淵博, E-mail: windin9th@sina.com