【正文】 非常大，因而在海水中的傳播距離十分有限，遠(yuǎn)不能滿足人類海洋活動(dòng)，如水下目標(biāo)探測(cè)，通訊，導(dǎo)航等方面的需要，相比之下，聲波在水中的傳播性能就好得多。例如，利用深海聲道效應(yīng)，人們甚至在幾千公里之外也能清晰地接收到幾磅TNT炸藥的爆炸所輻射的聲信號(hào)，正是由于這些原因,使得水聲技術(shù)在人類的海洋活動(dòng)中得到了廣泛的應(yīng)用。水聲學(xué)最重要的一個(gè)應(yīng)用是在軍事方面，而潛艇吸聲材料的吸聲性能研究又是水聲學(xué)在軍事方面上的一個(gè)重要方面。在可預(yù)見的時(shí)段內(nèi)水聲材料工作頻率范圍在500Hz到15Hz左右，因此，其測(cè)試技術(shù)也在向此低頻率范圍內(nèi)展伸。當(dāng)前，水聲材料聲學(xué)性能測(cè)試主要有兩類：小樣品的水聲聲管測(cè)試及大樣品的空間水域測(cè)試。兩類各有優(yōu)勢(shì)：空間水域 (水池、湖、海) ,可模擬水聲材料的實(shí)際應(yīng)用、多方向入射、各種結(jié)構(gòu)、較大的受聲面積等等；聲管，雖然尺度小，且只能法向入射，但測(cè)試條件環(huán)境易于控制，實(shí)施較方便，成本較低，可以更精確、標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行測(cè)試。各國在水聲材料測(cè)試上，除非必要，主要還是采用聲管測(cè)試，并建有標(biāo)準(zhǔn)。 水聲聲管測(cè)量的基礎(chǔ)聲管測(cè)量的理論基礎(chǔ)是：管壁為剛性邊界時(shí)，在某個(gè)截止頻率下管內(nèi)絕大部分區(qū)域只存在平面波，其傳播的相速度和群速度都等于水中的固有聲速。在這種情況下，管中的水柱可以近似的看作聲長線，被測(cè)樣品可以看作聲長線一端的負(fù)載。利用脈沖法或傳遞函數(shù)法能夠測(cè)量樣品在垂直入射情況下的復(fù)數(shù)反射系數(shù)和透射系數(shù)，并據(jù)此計(jì)算材料的有關(guān)參數(shù)。在這個(gè)理論基礎(chǔ)上，各個(gè)不同用途和不同測(cè)量方法的水聲聲管還要滿足不同的條件。 測(cè)量方法水聲聲管的測(cè)量方法有脈沖法、駐波管法（單頻）、雙水聽器傳遞函數(shù)法、寬帶信號(hào)譜分析方法等，并且至今仍在繼續(xù)發(fā)展的過程。由于本次建設(shè)的為中頻聲管，工作頻率范圍在500Hz和15hz之間，采用一種測(cè)量方法是不適合的，所以采用脈沖法（5Hz~15Hz）與雙水聽器傳遞函數(shù)法（500Hz~7Hz）并用，中間兩種方法具有足夠的頻率段重疊。因?yàn)樵谝粋€(gè)聲管中，兩種方法有頻率段重疊，這就提供了對(duì)同一個(gè)樣品，同一環(huán)境下兩種方法相互校驗(yàn)的能力，提高了測(cè)量的正確性、精確性。根據(jù)上述的考慮，聲管兩種測(cè)量方法的工作頻率范圍分別是：雙水聽器傳遞函數(shù)法 500Hz－7Hz脈沖法 5Hz －15Hz兩種方法的重疊為 5Hz －7Hz下面就脈沖法和雙水聽器傳遞函數(shù)法分別作介紹。傳遞函數(shù)法的使用，完全可按中國人民共和國船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB/T3674—95[22]進(jìn)行。采用雙水聽器傳遞函數(shù)法時(shí)，聲管的一側(cè)為被測(cè)樣本，另一側(cè)為聲源，聲源輻射波的頻率低于管道截止頻率時(shí)，在管道內(nèi)只有平面波傳播，聲源發(fā)出的入射聲波和被測(cè)物體的反射聲波在管道內(nèi)合成產(chǎn)生駐波。在管道的側(cè)壁的不同軸向位置上安裝兩個(gè)水聽器，水聽器的頭部和管道內(nèi)壁齊平。雙水聽器法不需要移動(dòng)水聽器的位置，使用信號(hào)分析處理數(shù)據(jù)，測(cè)量速度明顯高于駐波法。由于圓柱形管中聲波導(dǎo)管的截止頻率為：。當(dāng)發(fā)射換能器發(fā)出聲波的頻率小于這個(gè)截止頻率時(shí)，管道內(nèi)從發(fā)射換能器到被測(cè)樣本之間傳播的是平面波。，X=0為被測(cè)樣品和水的界面，間隔一定距離的兩個(gè)水聽器被安裝在聲管中。 駐波管中水聽器和樣品的位置坐標(biāo)水聽器1和2到樣品的距離分別為和，他們的間距為，為入射聲壓，為樣品的反射聲壓，r為樣品的復(fù)反射系數(shù)。令入射聲波表示為： （31）則有入射聲波在經(jīng)過被測(cè)樣件平面反射后的反射聲波可以表示為： （32）管中總聲場為： （33）所以，水聽器1位置的聲壓為：= （34）水聽器2位置的聲壓為：= （35）其中，f為聲波頻率，c為管中聲速，對(duì)于單頻測(cè)量情況，式（1）除以式（2），于是得到雙水聽器輸出的傳遞函數(shù)（假設(shè)兩水聽器接受靈敏度相幅完全一致） （36）其中,由此可以計(jì)算得到樣品的復(fù)反射系數(shù)： （37）標(biāo)準(zhǔn)反射體背襯下樣品的吸聲系數(shù)為 （38）其中R為復(fù)反射系數(shù)的模，為其相位；H是聲壓傳遞函數(shù)的模，為其相位。由此可以看出：復(fù)反射系數(shù)可以通過兩個(gè)水聽器間的傳遞函數(shù)h以及雙水聽器安裝位置參數(shù)和計(jì)算出來。脈沖法適用于高頻，其使用完全可按國標(biāo)GB5266—85進(jìn)行[23]。當(dāng)待側(cè)材料試樣置于聲管的一端及試樣的后界面阻抗已知時(shí)，測(cè)出材料試樣前界面的復(fù)反射系數(shù)后，則可獲得此材料的縱波聲速和衰減系數(shù)。在聲管內(nèi)傳播平面波的時(shí)候，根據(jù)聲傳輸線理論，試樣的輸入阻抗可以表示為：a: 當(dāng)試樣末端為空氣背襯，即聲軟末端時(shí)，有 （39）b: 當(dāng)試樣末端為剛性背襯，即聲硬末端時(shí)，有 （310）式中為試樣的輸入阻抗，為材料的衰減系數(shù)，為材料的縱波聲速，為角頻率，為材料的密度，d為材料試樣的厚度。同時(shí)亦可由試樣前界面的反射系數(shù)，求出試樣的輸入阻抗： （311）式中為管中水的密度，為管中水的聲速，R為試樣反射系數(shù)的模，為試樣反射系數(shù)的相角。由式（311）、（312）和（313）可以得到兩種邊界條件下材料縱波聲速和衰減系數(shù)與反射系數(shù)的模和相角間的關(guān)系：a: 對(duì)于聲軟末端 （312）b: 對(duì)于聲硬末端 （313）測(cè)出上式右端的各值，就可算出材料的縱聲波和衰減系數(shù)。其測(cè)量方法是在不同的頻率測(cè)量點(diǎn)上，分別測(cè)出放與不放試樣時(shí)第一次反射脈沖的模和以及相應(yīng)的相角和（和是反射信號(hào)與某參考信號(hào)之間的相位差）。 （314）(聲軟末端) （315）(聲硬末端) （316）使用脈沖發(fā)測(cè)量反射系數(shù)與使用駐波管方法測(cè)量不同，換能器不是發(fā)射連續(xù)聲波，而是脈沖聲，試樣反射后的脈沖聲又被收發(fā)合置的換能器接收，因此要求發(fā)射的聲脈沖必須能與反射聲脈沖之間有足夠的時(shí)間間隔，可以被分辨。 測(cè)量中需注意的問題在測(cè)量過程中會(huì)遇到許多問題，下面主要就駐波管方法中的一些問題進(jìn)行討論：1） 氣泡的消除在聲管剛注滿水之時(shí)，由于水中溶解有各種氣體，它們會(huì)緩慢的釋放出來，管壁也必然會(huì)布滿氣泡。這樣，管表面實(shí)際上會(huì)存在氣、液兩相分界面，它會(huì)對(duì)聲波產(chǎn)生很強(qiáng)的反射作用，影響測(cè)量結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中，如果提前注水，放置較長時(shí)間，氣泡會(huì)減少以致大部分消失。水聽器在放入水之前，應(yīng)該預(yù)先使其濕潤，并清除夾縫中的氣泡。而且應(yīng)該在使用前數(shù)小時(shí)放入水中。否則，因?yàn)樗犉鞯臏囟纫话銜?huì)高于水池中的水溫，置入水中后，較熱的水聽器會(huì)把周圍的水加熱，冷水中溶解的空氣達(dá)到過飽和就會(huì)析出，并附著在水聽器上，導(dǎo)致其表面發(fā)生反射，無法正常接收聲信號(hào)。2） 駐波管測(cè)量方法要求試樣表面距第一反射水聽器的間距小于/2根據(jù)傳遞函數(shù)法的理論，并沒有樣品到第一測(cè)量水聽器間距的嚴(yán)格要求。這是假設(shè)管內(nèi)水為理想純水、無衰減，管壁為理想管壁，對(duì)聲傳輸沒有干擾。事實(shí)上，兩者都是非理想的。由于衰減的存在，駐波幅度離試樣距離增大而逐漸變小；由于干擾的存在使駐波在第一個(gè)波節(jié)之后會(huì)出現(xiàn)散亂，而且反射系數(shù)越大效果越顯著；在水聲、空氣聲駐波管的實(shí)驗(yàn)中都得到證明。為此，一般文獻(xiàn)的要求是測(cè)量水聽器應(yīng)盡量接近試樣的反射表面。在本設(shè)備中樣品到第一水聽器的間距為95mm,根據(jù)該聲管裝置的設(shè)計(jì)駐波管測(cè)量頻率范圍為500－7000Hz，最小1/2波長為107mm，樣品到第一水聽器的間距小于測(cè)量范圍的最小/2，其余4個(gè)水聽器與第一水聽器的間距分別為50mm、120mm、140mm、1500mm，因此測(cè)量時(shí)即使是強(qiáng)反射情況，可以通過選擇使兩個(gè)水聽器分跨入/2之兩邊，而在小于的范圍內(nèi)進(jìn)行，避開了上述困難；根據(jù)誤差分析，/小時(shí)測(cè)量精度高，當(dāng)〈1時(shí)，可以滿足聲管誤差要求。3） 水聽器齊平安裝及相關(guān)的問題水聽器伸入管中心的最大的問題在于對(duì)平面波聲場的影響。當(dāng)兩水聽器在一個(gè)方向上的間距比較近時(shí)，即使在低頻，由于散射而引起的相互影響還是存在的；更何況在剛壁的聲管中，支承水聽器的支架的散射是主要的。而水聽器齊平安裝可以減小水聽器以及其支架對(duì)平面波聲場的影響。齊平安裝在空氣聲管的傳聲器安裝中就曾經(jīng)有過應(yīng)用，并且使用良好。水聽器齊平安裝帶來的問題：其一，水聽器周圍有1－，間隙中可能留有氣泡及細(xì)小雜物，這可以用機(jī)械或打小斜孔來解決；其二，上述間隙相當(dāng)于附加聲阻抗，其對(duì)測(cè)量精度影響可以不計(jì)；其三，在固體管壁內(nèi)傳輸?shù)谋砻娌?，理論?jì)算表明：在管壁端面垂直入射時(shí)存在橫波，但是否形成表面波，還要看條件；而固體內(nèi)的入射縱波幅度是很小的，難以激起管體內(nèi)的縱波和橫波；因此，管壁固體內(nèi)的波對(duì)水聽器的影響極微。4） 水聽器之間距傳遞函數(shù)法規(guī)定，兩測(cè)量水聽器間距應(yīng)小于/2以防止多值性。根據(jù)對(duì)傳遞函數(shù)法誤差的研究，當(dāng)兩水聽器間距為（～）之間，試樣表面到第一水聽器間距與水聽器間距的比時(shí)，幅度誤差、相位差可以滿足聲管誤差要求，據(jù)此通過選擇兩個(gè)水聽器的間距可計(jì)算滿足上述關(guān)系的的頻率范圍，列表如下（計(jì)算中使用的聲速為1440m/s）。 501204001500計(jì)算11540—28804880—12001440—360400—100選定7000—42004000—14001200—400360—1005） 兩水聽器測(cè)量通路相位不一致問題測(cè)量中的兩個(gè)通路，特別是測(cè)量水聽器之間總是存在由于本身的相位和靈敏度頻響的不同所引起的測(cè)量信號(hào)之間的相位差和幅值差，這可以采用兩水聽器位置交換法來減小誤差；也可以使用計(jì)算機(jī)補(bǔ)償?shù)霓k法。即在同一聲場中測(cè)出兩通路的幅值，相位差曲線，在計(jì)算傳遞函數(shù)前即進(jìn)行補(bǔ)償，將誤差控制在允許的有效范圍內(nèi)。6） 單頻和寬頻測(cè)量給發(fā)射換能器提供的信號(hào)可以選擇為單頻信號(hào)，也可以是有一定帶寬的寬頻信號(hào)。寬帶測(cè)量關(guān)鍵之一是設(shè)計(jì)一種寬帶脈沖以供發(fā)射信號(hào)用?？晒┻x用的信號(hào)有SinC函數(shù)，升余弦函數(shù)，偽隨機(jī)編碼信號(hào)及其他用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的相應(yīng)的信號(hào)……等。7） 高壓下空氣背襯的實(shí)現(xiàn)解決的方法是為平衡樣品上面的氣壓與樣品下面的水壓，在樣品附近管壁上打一上下連道孔，給以足夠面積；解決好空氣溶于水及高壓空氣壓縮機(jī)的安全問題，可以使用氮?dú)馄繉?shí)現(xiàn)氣體軟背襯的加壓，因?yàn)榈獨(dú)庠谒械娜芙舛茸钚?。第四?水聲聲管的的建設(shè)和研究本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是建設(shè)一個(gè)教學(xué)、科研共用的水聲聲管，是期望在財(cái)力有限的前提下，盡力建造一臺(tái)多功能、多方法的水聲聲管設(shè)備。雖然不一定要求達(dá)到計(jì)量的精度標(biāo)準(zhǔn)，但要求能用于科研、用于教學(xué)，測(cè)試方法要先進(jìn)，且留有向新的更先進(jìn)的方法拓展的空間。 水聲聲管的建設(shè)和研究根據(jù)所設(shè)想的實(shí)驗(yàn)要求，以及資金、場地等條件的限制，計(jì)劃建設(shè)的聲管設(shè)備為中頻聲管。管長5m,，靜水壓控制：0~6MPa。工作頻率范圍：500Hz~15hz。測(cè)量方法：脈沖法（5Hz~15Hz）與雙水聽器傳遞函數(shù)法（500Hz~7Hz）并用。主要測(cè)量功能：測(cè)量試樣在正入射條件下的復(fù)反射系數(shù)（吸聲系數(shù)）、透聲系數(shù)和法向聲阻抗。測(cè)量試樣直徑為120毫米,并同時(shí)可測(cè)量管內(nèi)靜水壓力和溫度。聲管配套裝置包括：1) 打壓系統(tǒng)：為便于控制采用手動(dòng)式壓泵，壓力表；2) 實(shí)驗(yàn)聲源：一個(gè)收發(fā)合置的發(fā)射換能器，功率放大器；3) 測(cè)量系統(tǒng)：包括計(jì)算機(jī)、采集板、示波器、信號(hào)源及軟件。4) 輔助系統(tǒng)：操作臺(tái)架，聲管供水、排水設(shè)施、照明等水聲聲管整體概念圖如下圖： 水聲聲管整體概念圖以下就聲管設(shè)備的主要組成部分分別作簡要介紹，其中包括：管體、封頭、發(fā)射換能器、接收水聽器以及靜水壓控制及管系等。1） 管體由于保證水聲聲管中一定范圍內(nèi)只有平面波傳播是聲管測(cè)量的基礎(chǔ)。 所以管體的許多尺寸都和工作頻率有關(guān)。如聲管內(nèi)徑?jīng)Q定于工作頻率的上限，而管長與工作頻率的下限有關(guān)，還與測(cè)量方法有關(guān)。如要求水聲管中一定范圍內(nèi)只有平面波傳播，對(duì)于厚壁剛硬園管，則要求管內(nèi)只傳播階波。由于圓形水管中階聲模態(tài)的上限截止頻率為[20]： （）式中為貝賽爾函數(shù)邊界條件方程的根，d=2a為內(nèi)直徑，C為水中聲速；對(duì)于中心對(duì)稱激勵(lì)的 (0,1) 階模態(tài)的截止頻率為： （）若取中心對(duì)稱激勵(lì)的 (0,1) 階模態(tài)，d=120mm，C=1500m/s， 則f=，即管內(nèi)徑取120mm時(shí)，上限頻率為15kHz。對(duì)于雙水聽器傳遞函數(shù)法：第一水聽器距樣品表面需要小于，而此聲管的雙水聽器傳遞函數(shù)法最高頻率7，則， ；兩水聽器間距,其中f為工作頻率，若最低頻以100Hz計(jì)（為將來發(fā)展作預(yù)留）,則。對(duì)于脈沖法：如果頻率為5Hz，則波長為 。一個(gè)脈沖包含10個(gè)波，則脈沖寬度對(duì)應(yīng)的長度為3, 進(jìn)行透聲測(cè)量時(shí)，第一反射（樣品表面反射）與管端反射要分開，并留有適當(dāng)余地，則需管長要5；樣品厚度一般為。上述各尺度有些是重疊的，各尺度示意如圖： 尺度示意圖對(duì)于管壁厚度，由于各種設(shè)計(jì)計(jì)算均基于管壁為剛性邊界的理想條件，而實(shí)際情況厚壁鋼管還需看作彈性厚壁邊界條件。所以實(shí)際上管內(nèi)聲速及管內(nèi)平面波與管壁厚度有關(guān)。（1） 管內(nèi)聲速C與理想聲速[21]