矢量水听器在有限空间内的测试条件分析与试验研究

陶 智

（海装装备项目管理中心，北京 100071）

0 引言

目前，矢量水听器的常用校准方法主要有2种[1-2]，一种是自由场比较法，一种是驻波场比较法。2种方法对声场的测试条件需求相同，即待测水听器和标准水听器均需处在相同的声学剖面上。随着矢量水听器对于低频性能的要求逐步提升，上述 2种校准方法的限制越来越明显。对于自由场比较法而言，以往的消声水池已无法实现更低频率的消声效果，而目前国内的研究单位很难建立更大的消声水池；对于驻波场比较法而言，低频矢量水听器的尺寸已越来越接近其驻波管内径，这会导致测量误差越来越大，而建立更大的驻波管也面临着更复杂的工艺实现难题。因此寻找低频矢量水听器更好的校准方法成为了新的研究热点。

小型水槽（体积约为1 m3～10 m3）在测试高频换能器的声学性能中被广泛应用，其方法是利用脉冲声技术以近似实现短暂的自由场。而在这种有限空间内，当声源发射低频声波时则会形成简正波，其分布特性是否有利于矢量水听器的校准，是一个值得研究和探讨的问题。本文利用 COMSOL Multiphysics软件仿真分析了小型水槽内部的声场分布特性，并与试验结果进行了对比[1]。

1 有限空间声场理论

本文研究的是封闭小型水槽内部的声场分布特性，可以参照室内声学理论[3,4]。声源在密闭空间内，既有球面波的自由辐射，又有声波传播到界面上经过数次反射后形成的不同阶数的简正波。声压幅值的变化与球面波衰减规律有着很大的不同，在某一区域内声压随距离的增大而变大，而在另一区域内声压值则变小。

假设长方体封闭水槽的长、宽、高分别为lx、ly、lz，6个面均为刚性，由此可建立直角坐标系内的波动方程

2 密闭水槽声场仿真

由于封闭小水槽内声压的分布复杂，且受多种因素的影响，所以选取一个合适的仿真软件是非常重要的。Comsol软件具有可实现多物理场耦合的特点，且其中内置多种耦合模块，可以直接选定所需的物理场建模，较为方便。

2.1 声场模型建立

首先构建一个一定尺寸的长方体，将其充满水，而后选定壳体材料添加到边界面上，并给定壳体厚度。不同的材料，其自身性质，包括密度、杨氏模量、泊松比等也不尽相同。在其中放入声源，声源的放置与水槽尺寸和材料有关，选择适当规格的网格进行划分，然后设定频率范围并计算得出结果，如图 1所示。为了便于观测，可在结果中选择多种图像如等值面、多切面等，也可在图像上取值记录或导出数据表格。

2.2 水槽声学模态

当水槽的尺寸和材料确定后，水槽内部声场会出现声学模态，以1.0 m×0.5 m×0.5 m尺寸、铝合金材料的水槽为例。在软件中选择压力声学中的特征频率物理场，画出水槽后，添加材料后划分网格求解。可求出，在20 Hz～2 000 Hz频段内共有3个特征频率，分别为740 Hz、1 481 Hz、1 656 Hz，如图2所示。在这3个频点处，声压分布可能会出现较大的起伏。因此，在接下来的仿真中，观察各频点上的声压分布时，频点的选取应避开这些特征频率，以保证试验的一般规律性，防止因某个频点上声压分布与其他频点上的声压分布规律相差较大而造成影响。

图1 声场模型建立

图2 水槽中声学模态特征频率

2.3 水槽尺寸对声压分布影响

本节水槽选取的材料为铝合金 3003，水槽壳体厚度为5 mm，每个点源的功率都为1 W，观察不同尺寸的水槽对声场声压分布情况的影响。图3为100 Hz和800 Hz频率处2个尺寸水槽内部声压的分布情况切面图。1个水槽的尺寸为2 m×1.5 m×1.5 m，1个水槽的尺寸是1.5 m×1 m×1 m，通过对切面图进行分析，可观察各尺寸下的声压分布特性。

通过观察图 3a)和图 4a)，可以看出各水槽在800 Hz频率上声压分布的均匀性很好，而在100 Hz处则有一些明显的起伏，总体观测1.5 m×1 m× 1 m尺寸水槽声压分布情况比较均匀。

2.4 水槽厚度对声压分布影响

选用为上一节中声压分布情况较好的1.5 m×1 m×1 m的水槽，材料依旧为铝合金，厚度取5 mm和10 mm这2种进行仿真。通过分析切面图，可以观察各尺寸下的声压分布特性。

通过图5和图6可以看出，不同厚度下，相同频率声压分布有很大的不同。随着水槽壳体厚度的增加，声压分布起伏也随之变大。

图3 2 m×1.5 m×1.5 m尺寸水槽声压分布切面图

图4 1.5 m×1 m×1 m尺寸水槽声压分布切面图

图5 壳体厚度为5 mm水槽声压分布切面图

图6 壳体厚度为10 mm水槽声压分布切面图

3 密闭水槽声场扫描试验

为了验证仿真结果的准确性，需在水槽中测量声压分布情况，再与仿真结果比较。试验水槽的尺寸为1.52 m×1.24 m×1.09 m，分别取距水面7 cm、12 cm、17 cm、22 cm、27 cm这5个深度，在每个深度上取5个点，在频率为100 Hz、1 000 Hz时，分别测量每种深度下5个点的声压值。在归一化处理后，可以得到每种频率下各点上的归一化数值，变化趋势如图7所示。

图7 各点声压归一化

通过试验与仿真比较可以看出，在发射换能器的上方同一深度下，声压的水平分布均较为平坦，但在不同深度上存在较大的偏差，主要原因为：1）信噪比较低产生的测量误差；2）仿真水槽为上端闭口，仿真模型与试验所用的水槽不完全一致。

4 结论

本文利用仿真软件对小型水槽内部的声场分布特性进行了仿真与试验研究，仿真结果显示，减小壳体的厚度可以提高水槽内声压分布的均匀性，试验结果与仿真结果在趋势上基本一致；但在具体数值上仍有一定的误差，需通过后续更加细致的方针和大量试验来提升准确性。本文研究得到的结论对研究性能更优越的矢量水听器校准方法提供了新的思路。