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水下复杂声源辐射声功率的混响法测量技术研究

【摘要】:水下运动目标的声学特性是水声学的重要研究内容,且水下运动目标大多都结构复杂,包括各种类型的声源,如机械、水动力及螺旋桨声源等。水下复杂声源的声学特性包括声功率、指向性及频谱特性等。在海洋环境下,由于不太容易修正海底及海面反射的影响,因此准确测量水下复杂声源的辐射声功率及频谱特性是很困难的,更无法实现噪声源分离。混响法是建筑声学中常用的测量声源辐射声功率的方法,国际上已建立了相应标准;混响法在水下应用较少,主要是因为一般水池壁面的反射系数低,较难形成理想混响场。本文主要研究非理想混响场条件下(非消声水池中)水下复杂声源辐射声功率的混响法测量技术,通过理论分析,实验验证等证明在非理想混响场条件下采用混响法也可以较准确地测量水下复杂声源的辐射声功率。 本文首先分析非刚性壁面矩形非消声水池中的声场特性,采用格林函数法推导出指向性声源在非消声水池离声源较远区域(混响控制区)空间平均均方声压与声源辐射声功率的关系,同时对声源的叠加性进行了验证,建立了水下复杂声源的混响法理论公式;针对低频声源测量的边界影响问题,扩展了Waterhouse校正并提出不同边界的统计平均校正,解决了混响场中水下低频声源的测量问题。其次,研究了空间平均测量技术,研究了是否空间平均、空间平均不同方式及声源是否平均对声源辐射声功率测量结果的影响。再次,在非消声水池中对水下复杂声源进行实验研究,测量了球型等标准声源的辐射声功率;测量了两相干球(同相位及反相位)与活塞型声源等指向性声源的辐射声功率。实验研究了不同尺度非消声水池的尺度效应特性。最后,对水下声源辐射声功率测量的不确定度进行了分析。测量及研究结果表明:空间平均范围越大效果越好,若同时对源进行空间平均效果更好;采用混响法测量的标准球型声源的辐射声功率与自由场测量结果之间相差不超过1dB;玻璃水箱(软边界)中声源低频段基于统计平均校正而得到的辐射声功率与自由场测量结果相差不超过1dB;两相干球型声源(同相位及反相位)的辐射声功率测量结果与理论值相差不超过1dB,活塞型声源的辐射声功率测量结果与自由场测量结果基本一致;两个小球同时工作的辐射声功率正好是每个小球单独工作的辐射声功率之和;非消声水池越大,测量的空间平均声压级、信噪比及Schroeder截止频率越低;水下声源辐射声功率测量的A类不确定度不超过1.5dB。 为测量流激水下翼型结构的流噪声,提出了一种混响箱测量方法。在重力式水洞中搭建了一套实验测量系统,利用混响箱法测量了水下翼型结构模型的辐射声功率。在此基础上研究了流速对其辐射声功率的影响。结果表明:在水洞环境下,采用混响箱测量方法可避免水听器受声场畸变影响;当流速小于5m/s时,辐射声功率随流速的6次方增长,符合偶极子的辐射规律;当流速大于5m/s时,辐射声功率随流速的10±1次方规律增长,不再按偶极子的规律辐射。混响箱壁面对声波的吸收较小,混响箱内的混响声场特性明显优于非消声水池(水泥或磁砖壁面)。为改进混响场的混响声场特性,建议参照混响箱结构设计水下混响室。

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