声压-距离法模拟声场的条件

声压-距离法模拟声场的条件

1消声水池消声性能检测方法消声池将消声器连接到整个池的所有表面，使池的池壁、底部和水面对入射声没有反射，并模拟一个无反射的宽阔水域的声场条件。然而没有反射是不可能的,因为现有的消声器不能吸收全部入射声能,大多数消声器只能部分地有效吸收声能,特别是在低频,它对单次反射只能部分衰减而不能消除。因为消声水池中的连续波声场是有起伏的,低频比高频的驻波比大,水面反射比其它壁的反射大,因此消声水池也不能模拟无限大水域,只有消声水池中自由场区域能满足水声换能器测量的远场条件时,才能用连续信号进行测量。否则,应该用脉冲声技术避开水池面壁的反射以满足自由场远场条件。有关评定消声水池消声性能的检测方法大体上有两种,一种是相对声压-距离法,另一种方法是转移阻抗法。本文仅对相对声压-距离法进行描述。2方法原理2.1消声水池声场为便于了解消声水池中声场起伏与水池尺寸和消声器件性能的关系,下面建立一个能描述消声水池中声场的数学模式。假设消声水池是矩形六面体,如图1所示。水池长L,宽W,深H。设A为点状发射器,B为点状接收器,以水平中心对称地处于水池的左右两侧,相互间的距离为d,距宽度方向一个侧面的距离为x。离水面的距离为D。如不考虑水池6个界面的二次反射,点接收器B在点发射器A发出声信号后将先后接收到7个来自不同声程的声信号。它们分别是(1)直达声,声程为d;(2)水面反射声,声程为d2=2[(d/2)2+D2]1/2;(3)水底反射声,声程为d3=2[(d/2)2+(H–D)2]1/2;(4)、(5)水池两个端面反射声,声程为d4=d5=L;(6)水池一个侧面的反射声,声程为d6=2[(d/2)2+x2]1/2;(7)水池另一侧面的反射声,声程为d7=2[(d/2)2+(W–x)2]1/2。点接收器B处的总声压应是这7个声信号之和式中,d为直达声程,di为不同反射声程,Ri为各反射面的反射系数,pA为声源辐射声压,p0为直达波声压,pi为不同反射面来的反射波,k为声波波数。其中从式(1)可以看出,只要水池中各个反射面上敷设的消声器件不能吸收全部入射声能,实际声场就如式(1)所描述的那样在自由场衰减曲线上起伏,这种偏离自由场曲线的起伏程度就是衡量消声水池声学质量优劣的依据,偏离越小越好。如果水池的尺寸很大,则起伏项对水池中心处声场的贡献很小。2.2离的衰减曲线的运用评定消声水池的消声性能时,通过改变接收水听器和发射器之间的距离,测量声压随距离的衰减曲线,比较它与理论衰减曲线的偏离程度。具体实施时,应使发射器和水听器之间的距离连续变化,并在距离变化过程中保持发射声信号不变。水听器的开路电压经线性放大和滤波后,得到声压幅值,再进行对数转换,从而得到相对声压随距离的变化曲线。3消声水池测量的测量方案相对声压-距离法测量装置的组成框图如图2所示。对声场检测时,使发射器的激励电压保持恒定,一端的步进马达驱动钢丝绳,带动发射器和水听器连续反向运动,另一端的钢丝绳带动转盘转动。由光电编码器量化发射器和水听器之间的距离并送入计算机。标准水听器接收的声压信号接入测量放大器,通过GP–IB接口读取测量放大器的电压值,并对电压幅值取对数,同时由光电编码器量化发射器和水听器之间的距离,得到一系列不同距离处的声压值。把它画成以距离为横坐标的曲线,即为声压随距离的变化曲线。测量实施时,根据消声水池测试剖面布置钢丝绳及转轮,在钢丝绳上悬挂发射换能器和水听器,并把换能器和水听器移到起始位置。要注意的是:换能器和水听器要分开悬挂在上、下两根钢丝绳上,这样才能保证测量时换能器、水听器的相向运动,实现声压随距离的变化曲线。4声场测试曲线被测水池尺寸15×6×6m3,测试坐标如图3所示。水池宽度方向为x,深度方向为h,长度方向为d。因为消声水池是矩形六面体,所以可以认为在水池宽度方向上中剖面两面的声场是左右对称的,在水池深度方向上中剖面两边的声场是上下对称的。因此,我们在声场检测时,只测四分之一的水池空间。测试频率、测试深度根据具体的测试要求而定。利用上述装置对某消声水池的声场特性进行了测试,本文选取了其中的两条声场测试曲线,如图4、图5所示。分别为测试频率为6kHz和12kHz时,在水池深度方向3m、宽度方向3m处沿水池长度方向测得的声场曲线。实线为实际测量的声场曲线,虚线为按理想球面波衰减规律的声场曲线(相当于理想的消声水池)。显然,实际测量值与理想的球面波衰减规律的出入(或偏差)就是池壁反射的结果,通常把实测值与理论值的偏差在±1dB以内的区域称为自由场区域。当然,这个自由场区域越大越好。从声场测试曲线可以得到不同频率、不同深度、不同宽度方向的自由场区域大小。若将被测件放在此区域内,在连续波信号测量条件下,也能得到较为精确的测量结果。5不确定度分析下面对水池声场测量的误差作一定量的分析。5.1测量信噪比不足引入的不确定度u根据声压-距离法测量装置的设备组成情况,可认为有如下的B类不确定度分量:(1)测量信噪比不足引入的不确定度:uB1=0.1dB(正态分布);(2)距离测量引入的不确定度:uB2=0.05dB(正态分布);(3)测量放大器读数引入的不确定度:uB3=0.12dB(均匀分布)。5.2不确定分类用测量结果的平均值实验标准偏差作为A类不确定度分量。相对声压-距离法测量装置的实验标准偏差(贝塞尔法)为uA=0.1dB。5.4合成标准的不确定度相对声压-距离法测量装置的合成标准不确定度为5.4扩展不确定取包含因子k=2,相应的不确定度的置信水平约为95%,测量结果的扩展不确定度U为6消声水池声场的测量当步进马达驱动钢丝绳运动并拖带水听器运动时,由于水听器是用电缆悬挂在钢丝绳上的,它在水中的运动必然受到水的阻力,所以水听器的运动往往滞后于钢丝绳的运动。因此,记录的相对声压级与距离的对应关系是有误差的。但因为钢丝绳的运动是匀速的,水听器滞后于钢丝绳的运动也是恒定的。因此,只要在运行一段距离后再开始测量,它对相对声压级的影响不大。在测量六面布满消声器件的消声水池的声场特性时,一般都在池面上留下一条缝,以便于换能器和水听器的移动。但是,这一条缝由于未消声会对发射声信号产生反射,从而影响测量精度。因此水面上留下的缝应该尽可能小,以最大限度地减小它对测量精度的影响。缝隙引起的声信号反射不仅与缝宽有关,还与波长有关,对于同样的宽度,频率较高时对测量结果的影响比频率较低时的影响大。距离行走机构一定要平行,保证水听器在水池中央时与在水池边缘时与侧面的距离相同,钢丝绳应绷紧,