一种基于多通道空时逆滤波技术的声学覆盖层插入损失测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种水下声学覆盖层大样插入损失的测量方法。水下声学覆盖层是水 声工程中使用广泛且至关重要的水下部件，为评估声学覆盖层试样的插入损失性能，实验 室条件下大件样品的插入损失测量是主要的手段。
【背景技术】
[0002] 声学覆盖层是指敷设在水下部件上的专用功能性声学材料与结构，是水下部件实 现声隐身的一个重要手段。随着粘弹性材料的快速发展以及声隐身技术研究的深入，声学 覆盖层产品已较为齐全，按其不同声学功能可分为由消声瓦、隔声瓦、抑振瓦、去耦瓦、阵列 消音器等。声学覆盖层一方面可以将主动探测声波的能量大幅度的吸收，使主动声纳声波 的反射减少，降低水下结构的声目标强度，另一方面可以抑制结构自身辐射噪声。因而，声 学覆盖层是目前唯一既能降低目标强度又能抑制辐射噪声的一项有效技术，对其在水声使 用环境中的声学性能研究和声学参数测量也就成为了我们迫切需要解决的问题。
[0003] 插入损失是衡量覆盖层声学性能的重要指标之一。现有的声学覆盖层插入损失测 量须满足自由场条件。自由场中的大样品测量对于低频声学性能参数的测量能力有限，随 着频率的下降，由于测量环境四周的吸声材料无法完全吸收声波，边界低频声波的反射已 不能忽略，测量信号受混响干扰严重。同时，由于波束主瓣宽度会随频率的降低而逐渐增 大，即主瓣分辨力会逐渐降低，而待测试样尺寸有限，当主瓣宽度大于待测试样尺寸时，会 对测试结果造成较大误差。此外，对于多层壳体的模型，通常需分别评估每一层试样的透射 性能以实现最优的综合吸声性能，因而对测量具有更高的要求。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有的声学覆盖层插入损失测量技术在中低频段测试中，测量结果误差 较大、精度较低的不足，本发明提供一种适用于中低频段、有效减少测量误差、提高精度的 声学覆盖层大样插入损失测量方法，该方法通过多通道空时逆滤波技术，实现发射信号在 试样处的空间能量聚焦和时域脉冲聚焦。
[0005] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下。
[0006] -种基于多通道空时逆滤波技术的声学覆盖层插入损失测量方法，所述测量方法 包括如下步骤：
[0007] 1)生成多通道空时逆滤波发射信号：无试样情况下，换能器阵的每一换能器依次 发射初始信号，水听器依次接收信号，利用单通道逆滤波技术获得单通道逆滤波发射信号； 根据换能器发射信号的时延间隔，对每一通道对应的逆滤波发射信号进行时延取齐，生成 多通道空时逆滤波发射信号；
[0008] 2)无试样情况下入射信号的采集：换能器发射多通道空时逆滤波信号，则根据空 时逆滤波原理，发射信号在水听器处产生空间聚焦且时域为尖脉冲波形，水听器记录试样 的入射信号Pi;
[0009] 3)有试样情况下透射信号的采集：将敷设声学覆盖层的试样放入测试环境，重复
[0010] 2)中步骤，记录有测试样品时的透射聚焦信号pt。
[0011] 4)插入损失测量值的计算：利用插入损失的计算公式可得
[0013] 其中I1表示插入损失值。
[0014] 本发明的技术构思为：通过初始导引信号发射及水听器接收，得到包含电路信道 和水声信道信息的接收信号，通过多通道逆滤波技术，获得换能器阵每一阵元的发射信号， 经阵发射，获得接收水听器处空间聚焦且时域为脉冲形式的信号，从而实现测量信号的空 间聚焦及时域脉冲压缩，并抑制混响。
[0015] 与现有的插入损失测量方法相比，本发明的优点是：
[0016] 1)利用逆滤波技术对包括电路信道和水声信道的整个信号传递信道进行求逆计 算获取发射信号，实现入射信号的时域脉冲压缩，有利于多径信号的分离。
[0017] 2)利用多通道信号的同步发射，提高入射波主瓣分辨率，降低混响对测量结果的 影响，同时亦可增加测量参数的空间分辨率，降低对试样尺寸及测试空间的要求，特别适用 于中低频段材料声学性能测试。
[0018] 3)由于空时逆滤波技术在非均匀介质环境下同样成立，因此，可消除测试环境水 体内部机构对测量信号的影响。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明方法的测量系统整体示意图。
[0020] 图2是多通道空时逆滤波技术的空间聚焦波形图。
[0021] 图3是多通道空时逆滤波技术的时域脉冲聚焦波形图。
[0022] 图4是5毫米厚钢板试样插入损失理论及测量试验结果对比图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0024] 参照图1~图4, 一种基于多通道空时逆滤波技术的声学覆盖层插入损失测量方 法，用于有限空间声学覆盖层大样插入损失的测量。整套测量方法的技术方案如下：
[0025] 1)生成多通道空时逆滤波发射信号；
[0026] 无试样情况下，换能器阵的每一换能器依次发射初始信号，水听器依次接收信号， 设发射信号频域可表示为s (f)，其中f表示信号频率，接收信号表示为xn(f)，其中η = 1，2,…，N表示换能器编号，N表示换能器个数；
[0027] 根据公式
[0029] 估计每一发射通道与接收水听器之间的信道响应函数Hn (f);为避免求逆计算中 出现的奇异问题，利用公式
[0031] 估计得到信道响应的逆函数/7J(/)，其中ε为一小值常量，以避免求逆奇异；对 该逆函数做逆傅里叶变换得到时域二次发射信号en(t)，其中t表示时间；
[0032] 利用每一发射换能器的信号发射时间间隔对逆滤波信号en(t)进行时延取齐，从 而获得多通道逆滤波发射信号e n(t_ τ n)，其中τ n为每一发射通道对应的时延量；
[0033] 2)无试样时直达信号的采集；
[0034] 如图1所示，通过计算机系统控制多通道独立控制信号输出仪，经多通道功率放 大器，利用换能器阵同步发射由步骤1)生成的空时逆滤波信号，同时，计算机系统控制聚 焦位置处的水听器记录没有测试样品时的直达信号 P1。
[0035] 3)有试样时透射信号的采集；
[0036] 将敷设声学覆盖层的试样放入测试环境，重复2)中步骤，此时记录有测试样品时 的透射聚焦信号p t。
[0037] 4)插入损失测量值的计算；
[0038] 通过以上三个步骤可获得计算插入损失所需的测量数据。利用2)和3)采集的入 射信号P 1及透射信号P t，计算可得插入损失测量值为
[0040] 实例说明：为验证本发明中多通道逆滤波技术的空时聚焦效果，开展了仿真分析。 模拟水池测量环境，设水池深度I. 2m，长度15m，水体声速为Cw= 1480m/s，水的密度为P w =lg/cm3,水层下面为20cm厚沙层，其声速分别为Cp= 1700m/s，密度为P s= 1.8g/cm3， 衰减系数为a s= 〇. 5(1Β/λ，沉积层以下为硬底半无限空间。4个声源分别位于深度0. 3m、 0· 5m、0. 7m和0· 9m，接收水听器距离发射阵10m，深度0· 55m，接收信号平均信噪比为15dB。 逆滤波算法中，ε取〇.〇5。图2显示的是多通道空时逆滤波发射时，信号的空间能量分布 图，图3为接收水听器收到的时域波形，其中信号采样率为50kHz。由图可知，多通道空时逆 滤波技术较好地实现了信号的空间聚焦和时域脉冲聚焦。
[0041] 为验证多通道空时逆滤波技术在声学覆盖层插入损失测量中的有效性，开展了 水池试验验证。实验室水池长约8m，宽4m，水深I. 6m，波导四面贴有吸声材料，底部铺有 0.25m的细沙。实验中三元发射阵与测试样品相距7m。测试试样为钢板，其几何尺寸为 1.1111\1.〇111\5111111，密度为7.84\10 31^/1113，声速 547〇111/8。该试验开展了0.51<：]^~201<：]^ 频率的插入损失数据采集和处理。图4显示的是钢板试样插入损失理论及试验结果比较 图，由图可知，即使在多径现象非常严重的水池波导条件下，本发明的测量结果基本与理论 计算值相一致，各测量频点对应的相对误差均小于10%。
【主权项】
1. 一种基于多通道空时逆滤波技术的声学覆盖层插入损失测量方法，所述测量方法包 括如下步骤： 1) 生成多通道空时逆滤波发射信号； 2) 无试样时直达信号的采集：通过计算机系统控制多通道独立控制信号输出仪，经多 通道功率放大器，利用换能器阵同步发射由步骤1)生成的空时逆滤波信号，同时，计算机 系统控制聚焦位置处的水听器记录没有测试样品时的直达信号 Pl; 3) 有试样时透射信号的采集：将敷设声学覆盖层的试样放入测试环境，重复2)中步 骤，此时记录有测试样品时的透射聚焦信号pt; 4) 插入损失测量值的计算：利用采集的入射信号Pl及透射信号pt，计算插入损失测量2. 如权利要求1所述的一种基于多通道空时逆滤波技术的声学覆盖层插入损失测量 方法，其特征在于：所述步骤1)中，生成多通道空时逆滤波发射信号的过程为：无试样情 况下，换能器阵的每一换能器依次发射初始信号，水听器依次接收信号，设发射信号频域可 表示为s(f)，其中f表示信号频率，接收信号表示为xn(f)，其中η= 1，2,…，N表示换能 器编号，Ν表示换能器个数，估计每一发射通道与接收水听器之间的信道响应函数Hn(f);为避免求逆计算中出现的奇异问题， 估计得到信道响应的逆函数CH/)，其中ε为一小值常量，以避免求逆奇异；对该逆函 数做逆傅里叶变换得到时域二次发射信号en(t)，其中t表示时间；利用每一发射换能器 的信号发射时间间隔对逆滤波信号en(t)进行时延取齐，从而获得多通道逆滤波发射信号 en(t-Tn)，其中τη为每一发射通道对应的时延量。
【专利摘要】一种基于多通道空时逆滤波技术的声学覆盖层插入损失测量方法，包括以下步骤：1)生成多通道空时逆滤波发射信号；2)无试样情况下直达信号的采集；3)有试样情况下透射信号的采集；4)插入损失测量值的计算。本发明通过发射阵换能器的恒定间隔发射及水听器的依次接收，获取包含电路信道和水声信道信息的信道响应函数，通过简单而有效的多通道空时逆滤波技术，实现接收水听器处空间声波能量聚焦及时域脉冲波形聚焦，从而达到声学覆盖层插入损失测量中多径信号分离以及混响抑制的目的，并提高了测量参数的空间分辨率，特别适用于中低频段材料声学性能测试。同时，验证了本发明在声学覆盖层插入损失测量中的有效性。
【IPC分类】G01N29/14
【公开号】CN105301114
【申请号】CN201510683611
【发明人】李建龙, 李素旋, 肖甫
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月20日