[发明专利]一种有限水域测量低频下限的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及自由场水声低频测量领域，主要是一种有限水域测量低频下限的计算方法。

背景技术

随着水声技术的发展，水声设备应用的频率范围逐渐向低频方向扩展，水声计量也随之而向低频方向发展。由于自由场是最接近水声设备实际工作的声场条件，因此大部分的水听器、换能器以及水声材料的测量都在自由场中进行。目前，为了获得较好的自由场声场条件，通常需要在有限水域的周围铺设消声尖劈来降低边界反射对自由场产生的影响。同时在测量过程中，水声设备要尽量布放在水池中央，并通过发射声脉冲将直达声和反射声在时域进行分离来避免反射声对测量产生的影响。

但是随着测量频率的降低，消声尖劈对入射声波的吸声效果变差，并且低频声波的波长较长，脉冲声技术无法在时域上对入射声波和反射声波进行有效的分离，这就导致了在有限水域内的水声测量存在低频下限。目前对于有限水域的低频下限，尚没有给出一个准确的计算方法，通常是根据以往的测试经验或者水池的大小大致估算出有限水域测量的低频下限：例如，对于50m×15m×10m的消声水池，其测量低频下限通常为1kHz左右。这种估计是不准确的，因为有限水域测量的低频下限与脉冲长度、测试距离、声场的布置等因素有关。因此，目前亟需一种能够根据有限水域以及声场的分布情况，快速、准确计算有限水域测量低频下限的方法，这种方法能够为有限水域水声设备的测量以及不确定度的分析提供理论依据。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种有限水域测量低频下限的计算方法，可应用于有限水域自由场水听器校准、换能器参数测量以及水声材料测量。该方法通过对有限水域内声场的分析，构建水池体积、脉冲宽度、反射时间、测量距离的函数关系式，实现有限水域自由场水声设备低频测量下限的快速、精确计算，提升有限水域低频测量的效率，降低低频测量的测量不确定度，为有限水域的低频测量提供理论基础。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种有限水域测量低频下限的计算方法，根据水池的结构计算得到在该有限水域中直达波与反射波最大声程差的区域，并在该区域中结合脉冲信号关系快速计算出有限水域的低频测量下限。

该方法具体步骤如下：

(1)、有限水域中，为了能够获得该水域中校准的低频下限，需要避开反射对直达声产生的影响，为了获得有限水域的低频下限，需要按照如下方式布置声场，得到直达声与反射声的最大声程差；

1)、长宽高分别为L、W、H的水池，其最短边边长为：l＝min{L,W,H}；

2)、发射换能器与被测水声设备连线位于垂直于最短边l的平面内，并且该平面与最短边的交点为最短边的中点；

3)、发射换能器与被测水声设备的距离d满足：

d₀≤d≤min{|W-H|,|W-L|,|L-H|} (1)

式中，d₀为满足自由场远场条件的最短距离；

4)、发射换能器以及被测水声设备与水池边界的距离d_x满足：

(2)、在获得最大声程差的前提下，考虑脉冲宽度、测试距离、测试频率多种因素的影响，有限水域的低频下限f_limit可根据式(3)计算得到

式中：l为立方体水池最小边长；

c为水中声速；

β为脉冲填充波的个数。

本发明的有益效果为：

(1)、对于特定的换能器以及测量水池，本方法能够通过声场计算，快速、准确地得到该换能器在水池中的测量低频下限。

(2)、对于特定的测量低频下限，本方法通过声场计算，可以得到测量所需的脉冲宽度，并根据声场计算结果进行换能器的布放，大大提高水声低频测量的效率。

附图说明

图1为立方体水域船舶路径示意图。

图2为有限水域声传播平面示意图。

图3为立方体水池中最长声程差域示意图。

图4为水听器在有限水域中接收声脉冲所输出的典型电压波形。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明根据有限水域空间结构的分析，确定了能够获得有限水域频率下限的自由场区域。通过对该区域内测量声场的分析，得到了有限水域频率下限与测试频率、脉冲宽度、测量距离等参数的关系，根据该关系能够快速、准确计算有限水域测量低频下限。