一種基于多通道空時(shí)逆濾波技術(shù)的聲學(xué)覆蓋層插入損失測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水下聲學(xué)覆蓋層大樣插入損失的測(cè)量方法。水下聲學(xué)覆蓋層是水 聲工程中使用廣泛且至關(guān)重要的水下部件，為評(píng)估聲學(xué)覆蓋層試樣的插入損失性能，實(shí)驗(yàn) 室條件下大件樣品的插入損失測(cè)量是主要的手段。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲學(xué)覆蓋層是指敷設(shè)在水下部件上的專用功能性聲學(xué)材料與結(jié)構(gòu)，是水下部件實(shí) 現(xiàn)聲隱身的一個(gè)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(xué) 覆蓋層產(chǎn)品已較為齊全，按其不同聲學(xué)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(xué)覆蓋層一方面可以將主動(dòng)探測(cè)聲波的能量大幅度的吸收，使主動(dòng)聲納聲波 的反射減少，降低水下結(jié)構(gòu)的聲目標(biāo)強(qiáng)度，另一方面可以抑制結(jié)構(gòu)自身輻射噪聲。因而，聲 學(xué)覆蓋層是目前唯一既能降低目標(biāo)強(qiáng)度又能抑制輻射噪聲的一項(xiàng)有效技術(shù)，對(duì)其在水聲使 用環(huán)境中的聲學(xué)性能研究和聲學(xué)參數(shù)測(cè)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(xué)性能的重要指標(biāo)之一。現(xiàn)有的聲學(xué)覆蓋層插入損失測(cè) 量須滿足自由場(chǎng)條件。自由場(chǎng)中的大樣品測(cè)量對(duì)于低頻聲學(xué)性能參數(shù)的測(cè)量能力有限，隨 著頻率的下降，由于測(cè)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(cè)量信號(hào)受混響干擾嚴(yán)重。同時(shí)，由于波束主瓣寬度會(huì)隨頻率的降低而逐漸增 大，即主瓣分辨力會(huì)逐漸降低，而待測(cè)試樣尺寸有限，當(dāng)主瓣寬度大于待測(cè)試樣尺寸時(shí)，會(huì) 對(duì)測(cè)試結(jié)果造成較大誤差。此外，對(duì)于多層殼體的模型，通常需分別評(píng)估每一層試樣的透射 性能以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的綜合吸聲性能，因而對(duì)測(cè)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(xué)覆蓋層插入損失測(cè)量技術(shù)在中低頻段測(cè)試中，測(cè)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(cè)量誤差、提高精度的 聲學(xué)覆蓋層大樣插入損失測(cè)量方法，該方法通過多通道空時(shí)逆濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)在 試樣處的空間能量聚焦和時(shí)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(shí)逆濾波技術(shù)的聲學(xué)覆蓋層插入損失測(cè)量方法，所述測(cè)量方法 包括如下步驟：
[0007] 1)生成多通道空時(shí)逆濾波發(fā)射信號(hào)：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(hào)，水聽器依次接收信號(hào)，利用單通道逆濾波技術(shù)獲得單通道逆濾波發(fā)射信號(hào)； 根據(jù)換能器發(fā)射信號(hào)的時(shí)延間隔，對(duì)每一通道對(duì)應(yīng)的逆濾波發(fā)射信號(hào)進(jìn)行時(shí)延取齊，生成 多通道空時(shí)逆濾波發(fā)射信號(hào)；
[0008] 2)無試樣情況下入射信號(hào)的采集：換能器發(fā)射多通道空時(shí)逆濾波信號(hào)，則根據(jù)空 時(shí)逆濾波原理，發(fā)射信號(hào)在水聽器處產(chǎn)生空間聚焦且時(shí)域?yàn)榧饷}沖波形，水聽器記錄試樣 的入射信號(hào)Pi;
[0009] 3)有試樣情況下透射信號(hào)的采集：將敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層的試樣放入測(cè)試環(huán)境，重復(fù)
[0010] 2)中步驟，記錄有測(cè)試樣品時(shí)的透射聚焦信號(hào)pt。
[0011] 4)插入損失測(cè)量值的計(jì)算：利用插入損失的計(jì)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(dǎo)引信號(hào)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(hào)，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(hào)， 經(jīng)陣發(fā)射，獲得接收水聽器處空間聚焦且時(shí)域?yàn)槊}沖形式的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)的空 間聚焦及時(shí)域脈沖壓縮，并抑制混響。
[0015] 與現(xiàn)有的插入損失測(cè)量方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0016] 1)利用逆濾波技術(shù)對(duì)包括電路信道和水聲信道的整個(gè)信號(hào)傳遞信道進(jìn)行求逆計(jì) 算獲取發(fā)射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)入射信號(hào)的時(shí)域脈沖壓縮，有利于多徑信號(hào)的分離。
[0017] 2)利用多通道信號(hào)的同步發(fā)射，提高入射波主瓣分辨率，降低混響對(duì)測(cè)量結(jié)果的 影響，同時(shí)亦可增加測(cè)量參數(shù)的空間分辨率，降低對(duì)試樣尺寸及測(cè)試空間的要求，特別適用 于中低頻段材料聲學(xué)性能測(cè)試。
[0018] 3)由于空時(shí)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(cè)試環(huán)境水 體內(nèi)部機(jī)構(gòu)對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明方法的測(cè)量系統(tǒng)整體示意圖。
[0020] 圖2是多通道空時(shí)逆濾波技術(shù)的空間聚焦波形圖。
[0021] 圖3是多通道空時(shí)逆濾波技術(shù)的時(shí)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(cè)量試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0024] 參照?qǐng)D1~圖4, 一種基于多通道空時(shí)逆濾波技術(shù)的聲學(xué)覆蓋層插入損失測(cè)量方 法，用于有限空間聲學(xué)覆蓋層大樣插入損失的測(cè)量。整套測(cè)量方法的技術(shù)方案如下：
[0025] 1)生成多通道空時(shí)逆濾波發(fā)射信號(hào)；
[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(hào)，水聽器依次接收信號(hào)， 設(shè)發(fā)射信號(hào)頻域可表示為s (f)，其中f表示信號(hào)頻率，接收信號(hào)表示為xn(f)，其中η = 1，2,…，N表示換能器編號(hào)，N表示換能器個(gè)數(shù)；
[0027] 根據(jù)公式
[0029] 估計(jì)每一發(fā)射通道與接收水聽器之間的信道響應(yīng)函數(shù)Hn (f);為避免求逆計(jì)算中 出現(xiàn)的奇異問題，利用公式
[0031] 估計(jì)得到信道響應(yīng)的逆函數(shù)/7J(/)，其中ε為一小值常量，以避免求逆奇異；對(duì) 該逆函數(shù)做逆傅里葉變換得到時(shí)域二次發(fā)射信號(hào)en(t)，其中t表示時(shí)間；
[0032] 利用每一發(fā)射換能器的信號(hào)發(fā)射時(shí)間間隔對(duì)逆濾波信號(hào)en(t)進(jìn)行時(shí)延取齊，從 而獲得多通道逆濾波發(fā)射信號(hào)e n(t_ τ n)，其中τ n為每一發(fā)射通道對(duì)應(yīng)的時(shí)延量；
[0033] 2)無試樣時(shí)直達(dá)信號(hào)的采集；
[0034] 如圖1所示，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制多通道獨(dú)立控制信號(hào)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(shí)逆濾波信號(hào)，同時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制聚 焦位置處的水聽器記錄沒有測(cè)試樣品時(shí)的直達(dá)信號(hào) P1。
[0035] 3)有試樣時(shí)透射信號(hào)的采集；
[0036] 將敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層的試樣放入測(cè)試環(huán)境，重復(fù)2)中步驟，此時(shí)記錄有測(cè)試樣品時(shí) 的透射聚焦信號(hào)p t。
[0037] 4)插入損失測(cè)量值的計(jì)算；
[0038] 通過以上三個(gè)步驟可獲得計(jì)算插入損失所需的測(cè)量數(shù)據(jù)。利用2)和3)采集的入 射信號(hào)P 1及透射信號(hào)P t，計(jì)算可得插入損失測(cè)量值為
[0040] 實(shí)例說明：為驗(yàn)證本發(fā)明中多通道逆濾波技術(shù)的空時(shí)聚焦效果，開展了仿真分析。 模擬水池測(cè)量環(huán)境，設(shè)水池深度I. 2m，長(zhǎng)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(gè)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(hào)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(shí)逆濾波發(fā)射時(shí)，信號(hào)的空間能量分布 圖，圖3為接收水聽器收到的時(shí)域波形，其中信號(hào)采樣率為50kHz。由圖可知，多通道空時(shí)逆 濾波技術(shù)較好地實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的空間聚焦和時(shí)域脈沖聚焦。
[0041] 為驗(yàn)證多通道空時(shí)逆濾波技術(shù)在聲學(xué)覆蓋層插入損失測(cè)量中的有效性，開展了 水池試驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)室水池長(zhǎng)約8m，寬4m，水深I(lǐng). 6m，波導(dǎo)四面貼有吸聲材料，底部鋪有 0.25m的細(xì)沙。實(shí)驗(yàn)中三元發(fā)射陣與測(cè)試樣品相距7m。測(cè)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(yàn)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(yàn)結(jié)果比較 圖，由圖可知，即使在多徑現(xiàn)象非常嚴(yán)重的水池波導(dǎo)條件下，本發(fā)明的測(cè)量結(jié)果基本與理論 計(jì)算值相一致，各測(cè)量頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差均小于10%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于多通道空時(shí)逆濾波技術(shù)的聲學(xué)覆蓋層插入損失測(cè)量方法，所述測(cè)量方法包 括如下步驟： 1) 生成多通道空時(shí)逆濾波發(fā)射信號(hào)； 2) 無試樣時(shí)直達(dá)信號(hào)的采集：通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制多通道獨(dú)立控制信號(hào)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(shí)逆濾波信號(hào)，同時(shí)，計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)控制聚焦位置處的水聽器記錄沒有測(cè)試樣品時(shí)的直達(dá)信號(hào) Pl; 3) 有試樣時(shí)透射信號(hào)的采集：將敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層的試樣放入測(cè)試環(huán)境，重復(fù)2)中步 驟，此時(shí)記錄有測(cè)試樣品時(shí)的透射聚焦信號(hào)pt; 4) 插入損失測(cè)量值的計(jì)算：利用采集的入射信號(hào)Pl及透射信號(hào)pt，計(jì)算插入損失測(cè)量2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于多通道空時(shí)逆濾波技術(shù)的聲學(xué)覆蓋層插入損失測(cè)量 方法，其特征在于：所述步驟1)中，生成多通道空時(shí)逆濾波發(fā)射信號(hào)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(hào)，水聽器依次接收信號(hào)，設(shè)發(fā)射信號(hào)頻域可 表示為s(f)，其中f表示信號(hào)頻率，接收信號(hào)表示為xn(f)，其中η= 1，2,…，N表示換能 器編號(hào)，Ν表示換能器個(gè)數(shù)，估計(jì)每一發(fā)射通道與接收水聽器之間的信道響應(yīng)函數(shù)Hn(f);為避免求逆計(jì)算中出現(xiàn)的奇異問題， 估計(jì)得到信道響應(yīng)的逆函數(shù)CH/)，其中ε為一小值常量，以避免求逆奇異；對(duì)該逆函 數(shù)做逆傅里葉變換得到時(shí)域二次發(fā)射信號(hào)en(t)，其中t表示時(shí)間；利用每一發(fā)射換能器 的信號(hào)發(fā)射時(shí)間間隔對(duì)逆濾波信號(hào)en(t)進(jìn)行時(shí)延取齊，從而獲得多通道逆濾波發(fā)射信號(hào) en(t-Tn)，其中τη為每一發(fā)射通道對(duì)應(yīng)的時(shí)延量。
【專利摘要】一種基于多通道空時(shí)逆濾波技術(shù)的聲學(xué)覆蓋層插入損失測(cè)量方法，包括以下步驟：1)生成多通道空時(shí)逆濾波發(fā)射信號(hào)；2)無試樣情況下直達(dá)信號(hào)的采集；3)有試樣情況下透射信號(hào)的采集；4)插入損失測(cè)量值的計(jì)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(yīng)函數(shù)，通過簡(jiǎn)單而有效的多通道空時(shí)逆濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)接收水聽器處空間聲波能量聚焦及時(shí)域脈沖波形聚焦，從而達(dá)到聲學(xué)覆蓋層插入損失測(cè)量中多徑信號(hào)分離以及混響抑制的目的，并提高了測(cè)量參數(shù)的空間分辨率，特別適用于中低頻段材料聲學(xué)性能測(cè)試。同時(shí)，驗(yàn)證了本發(fā)明在聲學(xué)覆蓋層插入損失測(cè)量中的有效性。
【IPC分類】G01N29/14
【公開號(hào)】CN105301114
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510683611
【發(fā)明人】李建龍, 李素旋, 肖甫
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年10月20日