水听器一致性对材料声反射系数全息反演精度的影响*

肖 妍， 商德江

(1.哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001； 2.哈尔滨工程大学 水声工程学院，黑龙江 哈尔滨150001)

研究与探讨

水听器一致性对材料声反射系数全息反演精度的影响*

肖 妍1,2， 商德江1,2

(1.哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001； 2.哈尔滨工程大学 水声工程学院，黑龙江 哈尔滨150001)

采用近场声全息(NAH)法进行材料声反射系数测试时，一般采用水听器阵列进行全息数据采集。针对阵元通道之间的幅度和相位一致性对全息反演结果的影响，在不同扫描方式下进行了仿真分析。根据仿真结果，建议采用水听器阵单面隔行的扫描方式进行测量。利用耦合腔校准方法对水听器阵进行通道间幅值和相位不一致性校准，并在消声水池中进行了矩形钢板的声反射系数全息测试实验。数据处理结果表明：采用经耦合腔校准后的水听器阵进行材料声反射系数测试，全息反演精度有所提高。

水听器一致性； 声反射系数； 反演精度； 耦合腔校准

0 引 言

在水声领域中，声管中的材料小样品声学性能测量主要给出法向测试结果，在初期设计阶段具有一定的指导作用[1]。在自由场中的大样测量则可以给出声波斜入射情况的材料声学特性，为产品应用后的整体声学性能考核提供依据[2～4]。其中,近场声全息(NAH)法可以通过一次测量得出大角度范围内材料的声反射系数，是一种较为方便快捷的测试方法，目前应用较为广泛[5]。

进行全息测试时，由于测点数目较大，为了提高扫描效率，一般采用水听器阵列进行全息数据采集。阵元通道之间在一致性上的幅度偏差和相位偏差将影响全息反演结果。本文针对不同扫描方式的多元水听器阵，分析了通道一致性对反演结果的影响,并采用耦合腔校准方法进行了通道间不一致性校准，采用经校准后的水听器阵进行材料声反射系数测试，全息反演精度有所提高。

1 近场声全息法反演材料声反射系数基本原理

利用近场声全息法进行声学材料反射系数测试，需要测量在声源与材料之间两个全息面上的复声压分布，如图1所示。假设在自由场中有一待测平板材料，以其所在平面作为xoy平面，建立直角坐标系，在(x0,y0,z0)处有一个全空间无指向性辐射声源，设在测点(x,y,z)处接收的复声压为p(x,y,z)。

图1 材料声反射系数声全息测试示意图

利用二维傅里叶变换，将两个全息面z=z1和z=z2上的复声压p(x,y,z1)和p(x,y,z2)进行平面波分解[6]

(1)

其中,各平面波分量的传播方向由波向量(kx,ky,kz)给出，介质中的波数k0与波数分量满足关系

(2)

式中f为测试频率；c为水中声速。

从而计算材料任意入射角的声反射系数Cr(kx,ky)，计算公式如下[3]

(3)

其中,P1,2代表Pm(kx,ky,z1,2)，为两个全息面上的平面波分量。

对应的入射角度θ由(kx,ky)确定

(4)

2 水听器不一致性对反演结果的影响

以多通道线阵(每个通道均只接一个水听器，组成一个多元水听器阵进行扫描)为例，分析通道一致性对反演结果的影响。以其中一个通道作为参考通道，其余通道(定义为考察通道)与参考通道存在不同的幅度或相位偏差。将通道幅度和相位偏差标记为

(5)

式中A和A0分别为考察通道的测量声压与标准声压的幅值，θ和θ0分别为测量声压和标准声压的相位。

令多元水听器阵上各考察通道与参考通道之间的幅度与相位偏差分别为(0～dA)与(0～dP)之间的一个随机数，进行仿真分析。

假设水听器阵为多元垂直水听器阵，水听器阵单面扫描有如图2几种形式。

图2 水听器阵扫描方式示意图

2.1 水听器阵单面连续扫描

如图2(a)所示的连续扫描时，线阵中的n个水听器同时在一个全息面上扫描，水听器间隔等于垂直方向的测点间距dy。

线阵垂直放置，水平移动水听器阵，一次扫描相邻n行。扫描完毕，水听器向下移动n行，开始n+1～2n行扫描，以此循环，直至两个全息面全部扫描完毕。

对绝对软材料的反射声场进行数值仿真，声源采用偶极子声源，几何参数为L=4λ，dL=λ/8，z1=λ/10，z2=λ/5，zs=λ。水听器阵元个数n=16，仿真结果如图3。

图3 单面连续扫描仿真结果

2.2 水听器阵单面隔行扫描

当水听器阵隔行扫描测量时，如图2(b)所示，水听器间距等于垂直方向的测点间距dy的整数倍。每次扫描n行，扫描完毕，水听器向下移动dy，开始扫描，以此循环，直至两个全息面上的所有测点全部扫描完毕。

仿真参数设置与水听器阵单面连续扫描时相同，仿真结果如图4。

图4 单面隔行扫描仿真结果

通过图3和图4的对比可以看出:使用水听器阵进行单面连续扫描或隔行扫描时，通道间相位一致性偏差对反演结果影响较小，而幅值一致性影响较大，但如果幅值一致性偏差在±2 dB之间，相对影响较小。考虑到水听器本身的散射问题，在实际测量中水听器阵元间距不宜过小，因此,采用多元水听器隔行扫描的方式更加具有实际应用价值。

2.3 水听器阵双面隔行扫描

利用两条平行的水听器阵同时进行两个全息面上的数据扫描，两条水听器线阵垂直分布，水听器间距等于垂直方向的测点间距dy的整数倍。采用这种扫描方式时，两个全息面上的测量得到的声压是由不同水听器阵元测量得到的，因此,测量通道偏差对两个全息面上相应测点的测量结果均有影响。仿真参数设置与以上两种扫描方式相同，仿真结果如图5。

图5 双面隔行扫描仿真结果

从图5中可以看出:采用水听器阵双面扫描的方式，通道的幅值与相位不一致性对于反射系数的反演结果会造成很大的影响。因此，实际测量时尽量采用水听器阵单面隔行扫描的方式。而且，实验前必须对各通道间的幅值与相位不一致性进行校准。

3 水听器一致性耦合腔校准方法基本原理

水听器校准方法有一级校准和二级校准两个级别。互易校准法属于一级校准方法，与声管中互易法及其他自由场中的互易校准法[7]相比，耦合腔互易法操作简单且容易实现，本文采用耦合腔法对水听器的一致性进行校准，基本原理如图6所示[8]。

图6 耦合腔法一致性校准系统

(6)

(7)

其中,H1(ω)和H2(ω)是H1和H2所在通道的电压灵敏度，pA和pB是第1次测量时，H1和H2所在处的声压。

将两次测量得到的传递函数作几何平均，则可以消除耦合腔中两点声压不均匀性对水听器校准的影响，进而得到两个通道间幅度不一致性偏差ΔLH与相位不一致性偏差ΔφH

(8)

(9)

4 水听器一致性校准结果

本文根据图2(b)的扫描方式设计了校准用耦合腔体和水听器测量接收阵，水听器阵由两个水听器组成，两个水听器间隔60 cm。采用耦合腔互易法对水听器进行校准。校准后，将这两个水听器交付于国防科技工业水声一级计量站进行接收灵敏度测试。将耦合腔校准结果与计量站校准结果进行对比，如表1所示。

表1 水听器接收灵敏度校准结果对比

从表中可以看出:耦合腔的校准结果与计量站所的校准结果相差较小。因此，利用这种耦合腔互易校准方法可以较为准确地对全息测量系统通道间的幅度和相位一致性进行校准。

5 实验数据处理分析

在哈尔滨工程大学水声国防重点实验室消声水池，水池大小为：3.5 m×3 m×3 m。将矩形标准钢板作为待测材料，钢板尺寸为1.6 m×1.5 m×5 mm。选用点声源发射换能器6829—D17，与待测钢板的距离为15 cm。采用窄带信号叠加方式，利用信号源生成所需带宽的周期脉冲信号；采用信号源输出的电信号作为参考信号。全息面1到待测钢板表面距离z1为3 cm，全息面2到待测钢板表面距离z2为5 cm，每个面上水平测量45点、垂直测量40点、测点水平和垂直间距均为3 cm，测量范围为1.32 m×1.17 m。

为了在用半空间全息变换技术来计算钢板反射系数时可以得到更多角度上的声反射系数，声源是并不正对钢板几何中心，其与钢板的位置关系如图7所示。

图7 声源布放位置

如图8所示为钢板的声反射系数反演结果，其中理论值的计算方法见文献[9]。

图8 钢板反射系数近场声全息反演结果

从图8中可以看出:采用这种水听器阵单面隔行的扫描方式，即使没有经过水听器校准，其反演结果在0°～60°入射角度范围内与理论值已十分接近。经过耦合腔校准以后，反射系数的反演精度在小角度处有较大改善。

6 结 论

采用近场声全息法对大样品材料进行声反射系数测试时，需要扫描两个全息面上的复声压数据，为了减少测试工作量，一般采用水听器阵列进行全息数据采集。通过对不同扫描方式的多元水听器阵一致性对反演结果影响的分析，建议实际测试时，采用水听器阵单面隔行的扫描方式进行全息测量。采用自行设计的耦合腔对双元水听器阵进行了一致性校准，利用校准后的水听器间的幅值和相位一致性对全息数据进行了处理，全息反演精度有所提高。

[1] 李 水，罗马奇，范进良，等．水声材料低频声性能的行波管测量[J]．声学学报，2007，32(4)：349-355．

[2] 吕世金，苗金林，张晓伟．水下材料声学性能宽频段测量方法[J]．应用声学，2011，30(1)：37-45．

[3] 时胜国，王 超，于树华，等．基于表面阻抗法的水声材料反射系数自由场测量仿真研究[J]．声学与电子工程，2013(4)：38-46．[4] 匡 正，叶 超，吴 鸣，等．一种现场测量材料吸声特性的新方法[J]．声学学报，2010，35(2)：162-168．

[5] 安俊英，徐海亭，郑震宇．近场声全息法测量斜入射材料的反射特性[J]．声学技术，2007，26(5)：39-41．

[6] 高 岩，王 洋，刘永伟，等．半空间全息法反演材料反射系数实验研究[J]．声学技术，2007，26(5)：990-991．

[7] 陈 毅，陈卫华，沈建新，袁文俊．高静水压下标准水听器的自由场灵敏度校准[J]．声学与电子工程，2005(3)：5-8．

[8] 何祚镛，何元安，商德江．双水听器水声声强测量系统的误差分析和校准[J]．声学学报，2000， 25(3)： 235-241．

[9] 何祚镛，赵玉芳． 声学理论基础[M]．北京：国防工业出版社，1981： 77-87．

Effect of hydrophone consistency on material sound reflection

coefficient holography reconstruction precision*XIAO Yan1,2, SHANG De-jiang1,2

(1.Science and Technology on Underwater Acoustic Laboratory,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China; 2.College of Underwater Acoustic Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

The hydrophone array is generally used for holography data acquisition when material sound reflection coefficient is measured by near-field acoustic holography (NAH) method.Aiming at effects of amplitude between channels of array unit and phase consistency on holography reconstruction results,simulation analysis is carried out in different scanning conditions.According to the simulation results,it is recommended that the measurement should be interlaced scanning in the same holography plane by the hydrophone array.The amplitude and phase inconsistencies of the hydrophone channels are calibrated by the couple cavity method,and then the sound reflection coefficient of a rectangular plate is measured in the anechoic tank.The data processing results show that the hydrophone reconstruction precision is improved after the holography array is calibrated by the couple cavity method.

hydrophone consistency; sound reflection coefficient; reconstruction precision; couple cavity calibration

2015—02—06

国家自然科学基金资助项目(11404079)；黑龙江省自然科学基金资助项目(LC2013C03)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0008—04

TB 565

A

1000—9787(2015)04—0008—04

肖 妍(1984-)，女，黑龙江林口人，博士研究生，主要研究方向为水下噪声源识别、水下结构振动及声辐射等。