功率信號(hào)源在水聲探測(cè)超材料液固耦合特性研究中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱：液固弱耦合結(jié)構(gòu)的聲波匯聚測(cè)試

研究方向：聲波是目前人類能操縱的、可以在海洋中有效傳遞能量或信息的一種重要載體，因此水聲探測(cè)技術(shù)在海洋資源勘探、海底地形測(cè)繪等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。然而，聲波的能量會(huì)在傳播過程中逐漸衰減，降低了水聲探測(cè)的靈敏度，嚴(yán)重制約著海洋資源勘探、海底地形測(cè)繪等的發(fā)展。聲波聚焦技術(shù)采用不同方法聚焦聲波，使聲波集中在一個(gè)空間相對(duì)較小、能量密度較高的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)接收換能器布置在該區(qū)域時(shí)，檢測(cè)到的聲信號(hào)大大增強(qiáng)，可以提高水聲探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。

近年來，聲學(xué)超材料的迅速發(fā)展為解決傳統(tǒng)聲波聚焦問題提供了新思路，有望實(shí)現(xiàn)成本更低、體積更小、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的聲聚焦[4]。聲學(xué)超材料是一種人工制造的由常規(guī)材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)[5-11]，與傳統(tǒng)材料不同，其結(jié)構(gòu)單元尺寸與聲波波長(zhǎng)相當(dāng)（聲子晶體）甚至遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)（聲超材料），宏觀上具有常規(guī)材料不具備的特殊聲學(xué)性質(zhì)，如負(fù)等效密度/模量、漸變折射率、超大折射率等可實(shí)現(xiàn)聲波聚焦的性質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證厚雙板-單縫結(jié)構(gòu)構(gòu)建液固弱耦合條件，研究水腔狹縫的聲波匯聚特點(diǎn)，分析耦合強(qiáng)弱影響因素并確定雙板-單縫結(jié)構(gòu)的材料與尺寸，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證雙板-單縫結(jié)構(gòu)的聲波匯聚效果

測(cè)試設(shè)備：計(jì)聲壓采集模塊、功率信號(hào)源(ATG-2031)、水聲換能器、雙板-單縫結(jié)果+麥克風(fēng)、數(shù)據(jù)采集卡

實(shí)驗(yàn)過程：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖2-17所示，上位機(jī)產(chǎn)生調(diào)制正弦脈沖串信號(hào)后發(fā)送到功率放大器，驅(qū)動(dòng)水域中的換能器激勵(lì)聲場(chǎng)，使用麥克風(fēng)測(cè)量雙板-單縫結(jié)構(gòu)的聲壓，再經(jīng)采集卡將數(shù)據(jù)回傳到上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。將圖2-16(b)中的聲壓采集模塊安裝在結(jié)構(gòu)的狹縫中，麥克風(fēng)布置在狹縫中心處；將換能器與雙板-單縫結(jié)構(gòu)以一定間隔布置，換能器發(fā)聲方向正對(duì)圓板板面，如圖2-18(a)左圖所示。測(cè)量有雙板-單縫結(jié)構(gòu)時(shí)聲壓隨頻率變化的曲線，再利用同一個(gè)聲壓采集模塊測(cè)量麥克風(fēng)在相同位置無雙板-單縫結(jié)構(gòu)時(shí)聲壓隨頻率變化的曲線。分別在水缸（1.5m×1.5m×2m）和水池（30m×27.5m×3m）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2-18(a)、(b)所示。

采用收發(fā)一體的自動(dòng)掃頻程序完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，流程如圖2-19所示。初始化起始頻率后發(fā)送正弦調(diào)制脈沖信號(hào)，同時(shí)觸發(fā)采集過程；經(jīng)過一個(gè)掃頻時(shí)間間隔后停止采集數(shù)據(jù)并判斷是否達(dá)到掃頻的頻率上限，若達(dá)到則整個(gè)程序停止，未達(dá)到則將當(dāng)前頻率增加一個(gè)步長(zhǎng)，重新完成信號(hào)發(fā)送與采集，直到達(dá)到掃頻的上限為止。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1)水缸實(shí)驗(yàn)分析水缸實(shí)驗(yàn)時(shí)，雙板-單縫結(jié)構(gòu)與聲源間隔為0.6m。將采集所得時(shí)域信號(hào)通過FFT轉(zhuǎn)化為電壓（聲壓）隨頻率變化的曲線，如圖2-20(a)所示，為無該結(jié)構(gòu)時(shí)同一麥克風(fēng)2次測(cè)量所得曲線?？芍?0k-12kHz范圍內(nèi)的電壓-頻率曲線一致性較好；12k-20kHz范圍內(nèi)的曲線有較大差異。圖2-20(b)為有雙板-單縫結(jié)構(gòu)時(shí)用圖2-20(a)中麥克風(fēng)測(cè)得的電壓隨頻率變化的曲線，與圖2-20(a)中無該結(jié)構(gòu)時(shí)的曲線形狀相似，無明顯峰值。

分別將不同條件下測(cè)得的2次數(shù)據(jù)取平均，得到圖2-21(a)所示曲線：有雙板-單縫結(jié)構(gòu)的曲線與無該結(jié)構(gòu)時(shí)的曲線相差不大，無法觀察到明顯的聲波匯聚放大。將圖2-21(a)中有雙板-單縫結(jié)構(gòu)的電壓與無該結(jié)構(gòu)時(shí)的電壓做比值，得到放大倍數(shù)隨頻率變化的曲線，如圖2-21(b)所示?？芍糯蟊稊?shù)均小于2.5且峰值較多。由于信號(hào)的絕對(duì)值較小，放大倍數(shù)因測(cè)量誤差引起的波動(dòng)可達(dá)到2倍以上，聲波匯聚或?qū)嶒?yàn)測(cè)量誤差均能引起圖2-21(b)中的峰值出現(xiàn)，在水缸中無法驗(yàn)證雙板-單縫結(jié)構(gòu)的聲波匯聚。

分析原因可知：出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因?yàn)樗變?nèi)聲波反射嚴(yán)重，水缸內(nèi)的聲場(chǎng)分布極不均勻，麥克風(fēng)位置的微小偏差會(huì)造成所測(cè)信號(hào)產(chǎn)生較大變化。本實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量有無雙板-單縫結(jié)構(gòu)時(shí)的電壓（聲壓）信號(hào)，不可避免的需要兩次布置麥克風(fēng)，這使得兩種情況下麥克風(fēng)的位置必然會(huì)出現(xiàn)偏差，測(cè)得的信號(hào)本身會(huì)出現(xiàn)較大變化，在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到的放大倍數(shù)失去意義，實(shí)驗(yàn)需要在寬闊水域中進(jìn)行。

2)水池實(shí)驗(yàn)分析

水池實(shí)驗(yàn)時(shí)，雙板-單縫結(jié)構(gòu)與聲源的間隔為1m。4次測(cè)量取平均后得到了電壓隨頻率變化的曲線，如圖2-22所示。

分析圖2-22可知，加入雙板-單縫結(jié)構(gòu)后，狹縫中心的信號(hào)在13.06kHz處明顯變強(qiáng)，聲波在該頻率下得到了匯聚放大。利用COMSOL仿真得到的匯聚頻率為14.14kHz，與實(shí)驗(yàn)得出的13.06kHz有一定偏差。這是因?yàn)榧庸こ龅牟讳P鋼圓板板面不光滑，兩個(gè)不銹鋼板上設(shè)置有固定支撐結(jié)構(gòu)和通孔；這都對(duì)雙板-單縫結(jié)構(gòu)匯聚聲波的頻率造成了一定的影響。

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