（水声工程专业论文）声学材料大样低频声反射系数测量方法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o no f s o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a l ，t h er e s e a r c ho ns o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a li sa t t a c h e d i n c r e a s i n gi m p o r t a n c et oe v e r yc o u n t r yc o r r e s p o n d i n g l y t h es o u n dr e f l e c t i o n c o e f f i c i e n to ft h em a t e r i a l i so n eo ft h ei m p o r t a n ts o u n dc h a r a c t e r i s t i c s t h e n t h e r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t sm e a s u r e m e n ti sa l s ob e i n gp a i dm o r ea t t e n t i o nt o i nt h i st h e s i s ，t h ep r i n c i p l eo fn e a r - f i e l da c o u s t i ch o l o g r a p h y ( n a h ) i n s e m i s p a c e a n dt h e a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g eb a s e d o ns p a t i a lf o u r i e r t r a n s f o r m si ns e m i s p a c e ，a r ed e s c r i b e d t h em e a s u r i n gs y s t e mi ss e tu p t h e a f f e c t i o no fp a r a m e t e r s ，s u c ha st h el o c a t i o na n dd i s t a n c eb e t w e e nm e a s u r e m e n t p o i n t s ，t h ed i s t a n c eb e t w e e ns o u n ds o u r c ea n dt e s tm a t e r i a l ，o nt h ee r r o r so ft h e r e c o n s t r u c t e df i e l di s a n a l y z e db ym e a n so fe x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n t h e m e a s u r e dr e s u l t sa r eg e n e r a l l yi ng o o da g r e e m e n t 州t 1 1t h et h e o r e t i c a lv a l u e t h e n a ne x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no ft h i sm e t h o di sg i v e ni nt h ep a p e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o de l i m i n a t e st h ee f f e c to ft h e s c a t t e r e ds o u n df i e l do ft h ew a t e rs u r f a c ec o m p l e t e l y b e c a u s et h es o u n ds o u r c e a n dt h et e s tm a t e r i a la r es e tn e a rt h ew a t e rs u r f a c ed u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，i ti sv e r y e a s yt os e tt h em e a s u r i n gs y s t e m ，a n dt h i si sv e r yu s e f u li np r a c t i c e k e yw o r d s ：s o u n da b s o r p t i o n ；s e m i s p a c em e t h o d ；a n g l e so fi n c i d e n c e ；r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：耋芝 日期：妒眸多月卵 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 背景 随着工业、环保、建筑、军事等领域的发展以及人们对噪声防治的日益 重视，吸声材料在空气和水中都有极其广泛的应用。在水声领域中，吸声材 料的反声特性是衡量其性能的一个重要特征。随着科学技术的发展，未来战 场环境将变得更加恶劣而复杂。从潜艇问世，探潜与隐身的争斗一直激烈地 进行着。暴露潜艇的特征信号有：电磁( 光) 波、声波、磁场、水压场等， 但只有声探测可以达到远程。声波是在海洋中唯一能够远距离传播的能量辐 射形式，即使一颗装药量只有四磅的炸弹在水中爆炸，距爆炸中心1 0 0 海里 外仍能接收到其声信号。所以反潜侦查中，对潜航的潜艇，探测声场变化是 最主要的方式。通常，非声物理场的现实检测约与艇长尺度同量级，只有 声波可以远达数十至上千海里。电子新技术的应用，使声纳探测水中目标的 距离又有了较大的发展口1 。 潜艇的声隐身性能主要体现在抗敌主动声纳的探测能力及防敌被动声纳 探测能力上。所以自二战以后，各海军强国均极为重视潜艇声隐身技术的发 展。消声瓦是随现代吸声材料的发展而逐渐成熟起来的一种新型潜艇隐身装 备。在潜艇表面敷设消声瓦是各国普遍采用的提高潜艇声隐身性能的方法， 也是潜艇对抗敌方主动声纳最主要、也是最有效的方法之一。潜艇表面覆盖 消声材料是为了降低声反射强度，达到回声隐身的目的。减少敌方主动声纳 探测距离是消声瓦的主要功能，其工作机理就是在海水与船体之间产生阻抗 匹配，使得声波能够进入消声瓦内，由于消声瓦材料的阻尼作用和瓦内空腔 或填充物的作用，使声波波形发生变化，声能转化成热能被消耗掉，从而使 返回的声波能量大大降低，达到减少主动声纳探测距离的目的。据测算，噪 声每降低2 0 分贝，可使己方被动声纳探测距离增加一倍，敌方主动声纳探测 距离降低5 0 ，并能缩小敌水中兵器的作战半径，降低其命中精度，同时可 使本艇的声模拟干扰装置作战效果提高1 5 倍左右1 。因此声学材料的声学特 性，尤其是其反声特性的测量有着重要的应用价值。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 1 2 声学材料声反射系数测量方法介绍 根据入射波方向的不同，大致可分为垂直入射和斜入射平面波声反射系 数研究方法两大类。材料的垂直反射系数的研究方法主要有p 4 1 ：脉冲管法、 驻波管法、传递函数法。而这些方法主要适用于声管中小样品的复反射系数 测量。但受限于测量尺寸，只能反演法向的声反射系数，其应用有局限性， 特别是在水声领域。对于大样品，一般都在自由场中进行测量，如宽带脉冲 压缩法等p 1 。而自由场大样测量则不仅可以给出材料法向的反射特性，而且 可以测得斜向反射特性。 关于自由场中大样材料任意入射角反射系数的测量方法已经不少了。大 致可归纳为以下几类 1 ： 1 表面声压法：在待测材料表面上测得其复声压，再与位于空间同一点 上全反射材料上测得的声压相比较。 2 干涉图法：应用几何反射理论，可以通过位于待测材料前的声波干涉 图得到反射系数。 3 信号分离法：使用脉冲或相关技术，测量一待测材料表面上对一测试 信号的响应声压，再分离入射和反射信号以得到反射系数。 4 双微音器法：通过置于待测材料表面附近的两个微音器之间的一个传 播方程来测量，可计算得反射系数。 5 近场声全息法( n a h ：n e a r - f i e l da c o u s t i ch o l o g r a p h y ) 通过记录声场 中全息面的声学量( 如复声压、复振速、声强) 分布，经过反演，从而重构出 整个声场分布。 近年来国内相关科研机构在消声瓦声学特性的测量方面做了大量工作。 针对声管测量下限频率过高的情况，中船重工7 1 5 所李水、沈建新等采用双 水听器传递函数法，实现了水声材料低频声性能的驻波管测量，将测量频率 降低到了l k h z 以下d 1 。在大样测量方面，李水、缪荣兴等利用宽带压缩脉冲 叠加法测量技术，在实验室进行了消声瓦大样材料的低频测量丌，海军工程 大学李海涛、朱锡等利用传递矩阵法推导了多层结构的声反射、透射系数的 计算公式，研究了消声瓦在全入射角下的声特性p 1 。 论文在基于半空间声全息法反演任意入射角度反射系数仿真的基础上， 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 进行了实验研究并分析了实验中声场几何参数在实际测量中的影响。 1 3 近场声全息理论与应用的研究情况 1 3 1 声全息概述 全息术的概念最早于4 0 年代出现在光学中一1 。这种技术通过对物体的散 射光和参考光的衍射图像进行照相来获得含有散射光的幅度和相位信息的图 片，利用参考光照射到全息图上来重现物体的三维图像。由于全息术的这种 优点，在声振动的研究中也曾引入来记录振动体表面的振速分布，但振动体 的声辐射并不能完全由它表面的振速幅度分布表征，因此在6 0 年代将全息的 概念引入声学，提出了声全息川。 声全息发展时期和应用范围的不同，可以分为常规声全息、近场声全息 和远场声全息三类，其中以近场声全息适用性最广、重建分辨率最高，并且 可操作性也最强，因此在低频辐射或散射问题的研究中选用近场声全息n a h 最合适1 。 1 3 2 近场声全息研究情况 近场声全息( n e a rf i e l da c o u s t i ch o l o g r a p h y ，n a h ) 是上世纪8 0 年代由全息 领域脱颖而出的新技术。这种声全息场变换技术是通过包围源的全息测量面 做声压全息测量，然后借助源表面和全息面之间的空间场变换关系，由全息 面声压重建源面的声场。n a h 技术特别适用于低频场源特性的判别、散射体 结构表面特性以及结构模态振动等研究，还用于源辐射功率和大型结构远场 指向性的预报等2 1 。因此，近二十年来声场全息场重建方面研究深受人们关 注，发展甚快，八十年代末到九十年代的几届美国声学学会会议都将声全息 技术作为一单独讨论专题，并且已作为一技术门类列入了p a c s 分类方法，这 些情况都充分说明了n a h 影响之广、之大。科学技术的进步、发展也在n a h 的变换算法和测量技术上产生了深远的影响，使之取得了更进一步的发展， 下面回顾一下n a h 的前进历程。 上世纪8 0 年代初，w i l l i a m s 、m a y n a r d 和v e r o n e s i ( 1 9 8 5 ，1 9 8 7 ) 提出近场声 全息理论和算法3 卜5 1 ，其测量平面到源面的距离是波长的几分之一，在测量 系统的动态范围选择适当的情况下，可充分记录测量全息面上声场的低波数 哈尔滨工程大学硕七学位论文 和高波数成份，因此，重建分辨率可以很高，它只与测量面和系统的动态范 围之比有关。在n a h 的算法中，利用测量面上的声压为源面上的声压与格林 函数卷积关系，将二维傅里叶变换用于h e l m h o l t z 方程，实现实空间域( r e a l s p a c e ) 一空间波数域( k - - s p a c e ) 的快速变换计算，可由声压测量重建源面声压 场、振速场及声强场的分布以及远场指向性等声场量。平面共形结构近场声 全息变换可以推广到其他正交共形结构近场声全息变换。九十年代初哈尔滨 工程大学何祚镛等研究人员开展可关于水下正交共形结构近场声全息的研究 工作，其中张谷香和何祚镛叼在消声水池中程控水听器扫描装置进行了薄板 被激振动平面全息场重建研究；中国科学院武汉物理所的张德俊等研究人员 详细研究了影响n a h 实验系统成像质量的各种因素并进行了参数优化设计； 改进了自制的空气中n a h 实验系统，对多种典型振动体进行实验，- 获得了良 好结果。 正交共形结构声全息变换最突出的优势是获得声场信息量丰富，并大多 可借助于f f t 快速计算，但最大的缺陷在于对重建的声源表面形状的适应性 差。由于实际结构的形状各式各样，结构表面为正交坐标系的情况较少，所 以仅靠正交共性近场声全息变换远远无法满足工程需求。当声源几何形状严 重偏离了任何正交坐标系下的可分离形面，需要一种更加通用的声场重建途 径。解决该类问题的可能的途径之一是数值求解h e l m h o l t z 积分方程，建立任 意形结构的近场声全息理论。 v e r o n e s i 和m a y n a l r d 提出玎用边界积分法实现任意形结构声源表面近场全 息重建的原理与方法，利用常数单元法离散h e l r n h o l t z 积分方程获得了测量得 到的声压和声源表面节点上的法向振速之间的矩阵关系，即所谓的辐射算子， 通过对辐射算子求逆，获得法向振速分布。b a i ( 1 9 9 2 ) 剐对边界积分的声全息 变换进行改进，引入边界元方法( b e m ，t h eb o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) ，提出 基于b e m 的任意结构近场声全息变换法( b e m - - b a s e dn a h ) 。k i m ”叫和l ( 1 9 9 6 ) 及k i m 和飚m ( 1 9 9 9 ) 胆川采用t b e m - - b a s e dn a h 重建非规则边界空腔内 壁的法向振速分布。商德江对任意形结构非共形面全息场变换进行了计算模 拟和精度分析，指出在平面球面、双平面一球面非共形变换及球面一球面 共形变换中，单平面一球面变换偏差最大，双平面球面变换偏差和球面一 球面共形变换偏差几乎相等，可作为声场逆问题、空间场重建应用。暴雪梅 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ii 和何祚镛( 1 9 9 7 ) 将n a h 方法应用于水下散射问题研究p 。 1 4 论文工作内容 在利用已经建立的自由场半空间全息变换技术测量模型和数值仿真的基 础上，建立完整的实验测量系统，测量系统的软件部分采用v c + + 6 0 实现。 利用己知理论反射系数值的钢板进行验证性实验，根据实验结果讨论分析各 种参数、误差等因素在实际中对反演结果的影响。在验证所建立实验测量系 统有效的条件下，对大样声学材料进行测量获得其反射系数。具体工作内容 包括以下几方面： 1 进行大面积声学材料反射系数声全息测量方法实验研究 2 研制大面积声学材料反射系数声全息测量实验系统一套 3 研制水听器接收灵敏度幅值相位一致性脉冲管法校准实验装置一套 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章基本原理与测量模型 2 1 基本原理 近场声全息方法反演全方向角度下的大样材料声反射系数，最早是由日 本学者t a m u r a 瞄卜口4 1 提出。这种方法是以波动声学理论为基础，利用空间傅立 叶变换( s f t ：s p a t i a lf o u r i e rt r a n s f o r m ) ，将测得的两个全息面上的球面波声 压( 全息声压) 分解为不同方向( 波数) 的平面波分量，再利用平面波传播理 论，将大样材料表面( 即源面) 的入射波分量和反射波分量分离出来，从而得 到大样材料的声反射系数。 图2 1 辐射源声场模型 如图2 1 ，三维空间( x ，y ，z ) 中有一个辐射声源，在平面z = z ，和z = z ：上 产生复声压分布p ( x ，y ，z 。) 和p ( x ，y ，z ：) 。 利用二维傅立叶变换( t w od i m e n s i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r m ) ， 面上的复声压分解为各个方向上的平面波分量： p ( t ，乃，毛) = ，f p ( 工，y ，z 1 ) e x p 一( 颤x + k y y ) d r d y 可将两个平 ( 2 - 1 ) p ( t ，b ，z ：) = ，j p ( z ，y ，z ：) e x p 一( t x + k y y ) d r d y ( 2 _ 2 ) 每个平面波分量的传播指向性可以由波向量( t ，k y ，k ：) 给出，如图2 2 所 示。介质中的波数与波数分量满足关系： 6 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 后。2 = k ，2 + 七j ，2 + 七：2 k ：2 a f c 式中：一信号频率，h z c 一介质中波速，m s ( 2 。3 ) ( 2 4 ) kr 图2 2 波数定义 当一个平面波分量从平面z = z 。传至另一个平面z = z ：时，它在平面 z = z ：上的复振幅由下式给出： p ( 砖，勺，z ：) = 尸( 颤，k y ，z i ) e x p ( - j k ：( z ：一毛) ) ( 2 - 5 ) 公式( 2 - 5 ) 表明了平面波的传播由“空间传播函数”e x p ( j k ：( z ：一毛) ) 所限定。 假定工，y 平面为反射边界，在边界z = 0 上将复声压分解为相应波数的平 面波分量。则每个平面波分量尸( t ，七。，0 ) 可以描述为相应的入射和反射平面 波的和： 尸k ，b ，o ) = p 幢，b ，o ) + e k ，勺，0 ) ( 2 6 ) 入射和反射的平面波分量间的关系可由下式给出： p , k x ，屯，o ) = c k ，b 归k ，b ，0 ) ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中，c ，仳，七y ) 是在垂直角( 入射角度) 为口和水平角为的一列平面 波在界面上的反射系数，且两个角度定义如下： 惝i 1 1 - if ( + 铲 ( 2 - 8 ) 矽= t a n t g ，t ) ( 2 9 ) 7 哈尔滨工程大学硕士学何论文 由此可见，在空间频域，反射声场可以表述为构成该声场的平面波分量 的反射，如果在反射界面上的入射和反射的平面波分量可以分离的话，那么 就可以得到在任意入射角处的反射系数。 图2 3 空间傅立叶变换示意图 s o u r c e 由公式( 2 7 ) 式和( 2 8 ) 式不难看出，只要将反射面各波数平面波分 量分解为入射波分量和反射波分量，就可以求出相应入射角的反射面声反射 系数，这可以利用平面波传播理论实现。 将平面z = z 和z = z ，上各波数的平面波分量也看作是相应波数的入射 平面波和反射平面波分量的叠加口”： 尸( t ，砖，刁) = p ( 也，砖，z 。) + e ( t ，k y ，而) ( 2 1 0 ) 尸( t ，k y ，z 2 ) = p ( t ，砖z 2 ) + e ( t ，k y ，z ：) ( 2 1 1 ) 根据平面波传播理论，将平面z = 0 和z = z 。的相应波数的入射平面波和反射 哈尔滨工程大学硕士学位论文 平面波分量联系起来： ( k s ，k y ，0 ) = 只【k s ，k y ，z 1 ) e x p 一，t z l 】 ( 2 1 2 ) e ( t ，k y , z i ) = e ( 以，b ，o ) e x p 【一儿z l 】 ( 2 - 1 3 ) 将式( 2 一1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 0 ) ，得到： p ( t ，k y , z i ) = 只( t ，砖，o ) e x p ( j k z z l ) + p ( t ，乃，o ) e x p ( 一，屯毛) ( 2 1 4 ) 同理，可以得到平面z = z ：的平面波分量用平面z = 0 上相应波数的入射平面 波和反射平面波分量描述的表达式： 尸( 也，k y , z 2 ) = ( t ，砖，o ) e x p ( 托z ：) + e ( 也，k y ，o ) e x p ( 一坎z 2 ) ( 2 1 5 ) 联立式( 2 1 4 ) 和式( 2 1 5 ) ，就可以实现将平面z = 0 ( 即反射面) 上入射平 面波和反射平面波分离的目的，从而得到c 妊，k ，) 的表达式： 驰,ky,o，=竖丝笔美差产(2-16)sml z ，庀1 厶一厶) i 讹，4 , 0 ，= 竖丝絮意鬟掣( 2 - 1 7 ) c ， ，k ，) = e 仳，k y ，o ) p , ( k ，k y ，0 ) ( 2 1 8 ) c 似 ) = 砸p ( k 万x , k y 再, z 2 ) 再e x p ( 面j k z z 再1 ) - e 酊( k x , k 再y , z i 两) e x p 巧( j k z z 霸2 ) ( 2 - 1 9 ) 由此可见，只要测得平面z = z ，和z = z ：上的复声压分布，就可以计算出 反射面的声反射系数。 2 2 半空间全息变换技术测量模型 如图2 4 ，为应用半空间全息变换技术反演大样材料声反射系数的测量模 型，参照图2 3 ，测试材料表面为x , y 平面，即平面z = 0 。假设声源位于水 面附近的三维空i b q ( x ，y ，z ) 处，将被测材料样品贴水面吊放，在辐射声场 中有两平行全息面z 1 ，z 2 阳。 9 哈尔滨下程大学硕十学位论文 图2 4 半空间全息技术测量模型 分别对两平行全息面进行二维扫描，测得两平行全息面z = z ，z ，上的 复( 全息) 声压，利用水面的绝对软边界口1 条件映射得到水面上部分的复( 全 息) 声压，因此得到了扩展的全息面上的复( 全息) 声压。应用式( 2 1 ) 和 式( 2 - 2 ) ，获得全息面z 。、z 2 上各波数( 七，k ，) 方向的平面波分量尸忙，k ，z 1 ) 和p k ，k ，z ：) 。 将p 忆，k ，z ，) 和p 慨，k y ，z ：j 代入式( 2 1 9 ) ，可以得到波数为( k x , k ，) 的 反射系数c ，( 七。，k ，) 。考虑到波数与声波传播方向的关系，对给定目，将满足 式( 2 8 ) 的波数k x , k 。所对应的反射系数作平均，从而得到给定入射角目的 反射面反射系数c ，p ) 口3 3 4 1 。考虑到实际测量得到的是各全息面上声压的二维 分布，在对其进行二维傅立叶变换后，根据空间采样原理，所得到的变换结 果就是对应着各相应波数k x , k 。平面波分量的二维矩阵。 假设对全息面进行了n x 1 1 。个点的扫描，测得全息面复( 全息) 声压二 维分布矩阵( ，z 。和刀，分别为x 和y 方向上的扫描点数) ： l o 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 p ( x o ，y o ) 烈五，3 o ) 仄k 一，y o ) p ( x o ，咒) ， p ( x o ，)恕，) ( 2 2 0 ) 则经过反对称处理后，得到的用于计算的声压二维分布矩阵( 假设x 方向为 与水面平行的方向，y 方向为与水面垂直方向) ，如式( 2 - 2 1 ) 所示。 一p ( x o ，一1 )一p ( - l ，一1 ) ； 一p ( x o ，m ) 一p ( x o ，y o ) 一p ( 】一l ，y o ) p ( x o ，y o ) p ( 支0 - 1 ，y o ) p ( x o ，m ) ； p ( x o ，一1 ) p ( k - l ，一i ) ( 2 - 2 1 ) 对式( 2 2 1 ) 所表示的矩阵进行二维傅立叶变换，变换后的结果即为对应着 各相应波数的平面波分量： 一p f k , o ，k y 砂一1 )一p ( k x n x - i 砖缈一1 ) 一p f k x o ，k e l ) 一p ( t o ，b o ) p ( t 。，) p ( t o ，b - ) p ( k x o ，k y 删一1 ) 一p ( t n x - i ， b o ) p ( 也n x - 1 屯o ) ： p ( 也n x - ik y 妒1 ) ( 2 2 2 ) ik = 等门鲻鲁， 卜掣，c 考班( 2 - 2 3 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = 警，( o 姚争 ：季母圳 q 。2 4 ) 式中，。，。分别为对全息面进行二维空间扫描时，x 方向和) ，方向上的扫描 长度；刀，疗，分别为两个方向上的扫描点数。要注意的是，用于计算的z 方向 的扫描长度。的取值应为实际扫描长度的2 倍，扫描点数力，的取值应为实际 扫描点数的2 倍。 利用式( 2 2 3 ) 和式( 2 2 4 ) 确定的波数分量，就可以确定式( 2 2 2 ) 的 矩阵中各数据点的平面波分量所对应的入射角。利用该矩阵的数据点，代入 式( 2 1 9 ) ，就可以求得该波数分量对应的反射系数，再对相同入射角对应的 反射系数求平均，最终得到该入射角的声反射系数。 需要注意的是式( 2 2 3 ) 和式( 2 2 4 ) 确定的波数分量的取舍问题。从 两个公式可以看到，当0 f 刀。2 时，后。为正波数，当刀。2 l k w ，见图3 4 。 3 ) 发射换能器 发射换能器采用无方向性波束球形换能器6 8 2 9 系列。6 8 2 9 系列收发合 置换能器可以提供宽带大功率输出信号，见图35 。 图34l 6 功率放大器 图3 56 8 2 9 系列无方向性波束球形换能器 6 8 2 9 系列球形换能器的典型性能参数如下： 表3l6 8 2 9 系列球形换能器的典型性能参数 谐振谐振发射谐振接收 最大电压最大输入 频率 电压响应灵敏度有效值功率( 大约1 型号 k h z d br e d br e vw 1 岬a v 1 v ) i u p a 6 8 2 9 1 7 1 7 1 4 9 - 1 8 7 6 9 0 4 ，0 0 0 6 8 2 9 - 2 42 41 5 0 1 8 55 8 9 2 ，0 0 0 6 8 2 9 3 03 01 5 0一】9 34 4 1 1 ，0 0 0 4 ) 水昕器 基阵架上安装的测量水昕器为b & k 8 1 0 3 水听器，其电压灵敏度是3 0 州 p a ，电荷灵敏度是01 2 p c p a ，电容是3 5 8 0 p f ；参考水听器为b & k 8 1 0 5 水听 哈尔滨工程大学硕十学位论文 器，其电压灵敏度是5 6 一p a ，电荷灵敏度是0 4 2 p c p a ，电容是7 5 0 0 p f 。 5 ) 水听器基阵架 水听器基阵架是由钢管制成，为减小水听器基阵架的散射带来的声场误 差，在其外表面缠绕粘弹性吸声材料；水听器安装基座由有机玻璃制成，以 卡扣方式插入到水听器基阵架，底端以螺母固定，表3 2 列出了各测量频率 水听器基阵架的散射强度，表中的测量结果表明，在3 心乜一1 0 k h z 频率范围 内，水听器扫描架的声散射强度小于- - 3 0 d b ，具体结构组成如图3 6 所示。 6 ) 信号采集器 选用b & k 3 5 6 0 c ，性能指标主要为：分析信号频率范围：0 - - 2 5 k h z ；输 入信号量程：7 m v 一2 5 v ；分辨率：2 4 b i t ；输入噪声：比所选用量程对应的 最大峰值电压低8 0 分贝；幅度一致性：2 - - 2 0 k h z ，典型值0 0 1 d b ，最大0 2 d b ； 相位一致性：2 - - 2 0 k h z ，小于1 5c ：。 3 3 2 脉冲管法校准系统的硬件部分 发射部分和接收部分的各仪器按照图3 3 所示连接，具体仪器及实现功 能介绍如下： 1 ) 信号源 信号源a g i l e n t 3 3 2 5 0 a ：采用窄带信号叠加方式，利用任意信号发生器生 成所需带宽的周期脉冲信号。输出信号可以根据换能器的发射电压响应，对 各窄带信号的幅度进行了加权，使得换能器产生的声场的频响很平坦。 2 ) 功率放大器 功率放大器与发射换能器匹配后，可使发射换能器的声源级大于1 7 0 d b 表3 2 水听器基阵架的散射强度 一 345678 91 0 测量结果 放大器出电压 p2 5 1 23 9 3 65 7 5 44 4 1 67 2 4 41 1 8 8 51 2 8 8 2 1 5 6 6 8 ( m v ) p o 2 5 5 13 9 9 95 6 3 34 3 3 37 0 2 11 2 2 6 91 2 4 9 71 5 2 8 3 散射强度a ( f ) 3 5 33 6 23 3 03 4 53 0 22 9 83 0 43 2 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 基阵架 f 弧 飞j 凡、 划 + n 0 刊 m m ；l _ m 刈 v 飞 图3 6 基阵架结构示意图圄3 7b & k 8 1 0 3 水听器探头 3 ) 信号采集器 数字示波器a g i l e n t 5 4 6 2 4 ：当计算机控制信号源输出信号以后，控制 a g i l e n t 5 4 6 2 4 对双通道信号声场进行数据采集，计算每个通道的f f t ，然后 将每个通道的f f t 计算结果传给计算机。 4 ) 前置测量放大器 前置测量放大器s r 5 6 0 的前端输入噪声： 6 0 d b ；动态范 围 6 0 d b 。 5 ) 滤波器 滤波器r s 6 5 0 的前端输入噪声： 6 0 d b 。 3 3 软件语言介绍 v i s u a l c + + 60 支持面向对象编程技术，支持组件共享，不仅可以提高软 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 件系统开发的速度，而且可以大大提高软件的质量。同时，和其他可视化集 成开发环境( 比如v i s u a lb a s i c ，d e l p h i ，c + + b u i l d e r ) 一样，v i s u a lc + + 集 程序的代码编辑、编译、连接和调试等功能于一体，给程序员提供了一个完 整方便的开发界面和许多的辅助开发工具，v i s u a lc + + 的应用程序向导可以 生成应用程序框架很大一部分的代码，程序员几乎不必书写程序代码，就可 以生成一些完整的可以运行的程序，大大简化了w i n d o w s 应用程序的编写工 作。其特点如下矧。p 0 1 ： v i s u a lc + + 的语法符合a n s ic + + 标准，并在此基础上针对w i n d o w s 操作系统增加了一些语句； 集成了m f c 类库，m f c 封装了w i n d o w sa p i 函数和消息，使程序 员可以使用m f c 高效的开发出各种应用程序； 提供了m f c a p pw i z a r d ，可以方便地生成程序框架； 提供了基于m f c 的c l a s sw i z a r d ，通过它可以轻松的完成对各种 m f c 类的使用和维护。 m f c 是m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s 的缩写，这是一个建立在w i n d o w s a p i 之上的c + + 类库( c + + c l a s sl i b r a r y ) ，意图是使w i n d o w s 程序设计过 程更有效率，更符合面向对象的精神；意为“微软基础类库”的m f c 类库用了 c + + 类的形式简化了w i n d o w s 环境下复杂的c 语言编程，用户只需要使用 m f c 类库中的类，就可以c 抖语言的方法编写出w i n d o w s 操作系统环境下 的应用程序。m f c 类库将图形用户界面的元素，如窗口、按钮、菜单等，都 以类的形式进行封装，并且提供映射机制将w i n d o w s 对这些图形界面元素所 发出的消息映射到类的虚拟成员函数。m f c 类库同时提供了一系列的动态对 象生成机制，使用户只需要从m f c 类库中继承所需要的类，并且重载消息 处理成员函数，就可以编写出w i n d o w s 应用程序。 o p e n g l 的前身是由s g i 公司为其图形工作站开发的i r i s g l ，是一个工 业标准的三维计算机图形软件接口。但是s g i 公司向其他平台移植时，遇到 了问题，为改进其移植性，开发了o p e n g l ，它有g l 的功能，而且是开放 的，适用于多种硬件平台及操作系统，用户可以方便地利用这个图形库，创 建出接近光线跟踪的高质量静止或动画的三维彩色图像，而且要比光线跟踪 算法快一个数量级。o p e n g l 始终贯彻独立于硬件平台的精神。它可以在 2 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 等不同系统上实现，还可以采用f o r t r a n 、c 、c + + 等 编程语言。它已经成为一个工业标准的计算机三维图形软件开发接口，并广 泛应用于游戏开发、建筑、产品设计、医学、地球科学、流体力学等领域。 值得一提的是，虽然微软有自己的三维编程开发工具d i r e c t x ，但它也提供 o p e n g l 图形标准，因此，o p e n g l 可以在微机中广泛应用。它的主要特点是 1 3 1 3 2 ： o p e n g l 可以在网络上工作，即客户机r 服务器型，显示图形的计算 机( 客户机) 可以不是运行图形程序的计算机( 服务器) ，客户机和服务器可 以是不同类型的计算机，只要两者服从相同的协议充分发挥集群运算的威力， 是专业图形处理、科学计算等高端应用领域的标准图形库： o p e n g l 是于硬件无关的软件接e l ，可以在多种硬件平台上运行，使 得o p e n g l 的应用程序有较好的移植性； 使用o p e n g l ，图形软件生产厂商不用为各种不同的机型开发设计不 同的软件，只要操作系统使用了o p e n g l 适配器就可以达到相同的效果： o p e n g l 可以运行在当前各种流行的操作系统上，如u n i x 、 w i n d o 、v s 9 5 汐8 n 1 2 0 0 0 、l i n u x 、o p e ns t e p 、p y t h o n 、b e o s 等，并且很容易 从一个平台移植到另一个平台上。许多计算机公司已经把o p e n g l 集成到各 种窗口和操作系统中，其中操作系统包括u n i x 、w i n d o w sn t 、d o s 等，窗 口系统有x 窗口、w i n d o w s 等； 各种流行的编程语言都可以调用o p e n g l 的库函数，如：c 、c + + 、 f o r t r a n 、a d a 、j a v a 。许多软件厂商也纷纷以o p e n g l 为基础开发出自己的产 品，例如著名的g i s 软件a r c i n f 0 。 3 4 软件部分 半空问全息测量系统和脉冲管法水听器校准系统都是基于w i n d o w sx p 开发平台，以上系统软件的界面和数值计算使用的是可视化与面向对象的编 程语言v i s u a lc + + 6 0 及其内置的m f c ( m i c r o s o f tf u n c t i o nc l a s s ) 类库，v i s u a l c + + 是目前世界上使用最为广泛的应用程序开发工具之一；而两个系统软件 的图形显示均使用v i s u a lc + + 自