張永亮 江 敏 季念迎 高 平 黃逸凡*

1(中國科學院深圳先進技術(shù)研究院 先進材料科學與工程研究所 深圳 518055)2(山東拓普液壓氣動有限公司 濟南 250107)

1 引 言

了解海洋、認識海洋，不僅是海洋強國戰(zhàn)略的基石，也是人類科學探索的重要內(nèi)容。無論是“數(shù)字海洋”、“透明海洋”還是“智慧海洋”，感知和信息傳遞是核心內(nèi)容。聲學和光學是海洋探測最主要的兩個手段和方法，尤其聲音是水下信息傳播最有效的媒介，因此發(fā)展水下聲學傳感及探測技術(shù)是認識海洋的必然手段。隨著國家深遠海戰(zhàn)略的實施，國內(nèi)的海洋科學研究逐步由“淺藍”走向“深藍”[1]，典型代表就是7 000 m 級“蛟龍”[2]和 4 500 m 級“深海勇士”[3]兩艘載人深潛器開展了多年的常規(guī)作業(yè)。目前，11 000 m 級載人潛水器“奮斗者”已實現(xiàn)萬米深潛測試。“奮斗者”作為全世界首艘可以搭載 3 名潛航員進行萬米深淵科考的潛水器下水，標志著我們國家在深海探索方面走到了世界前列[4]。然而，我國的海洋科考儀器仍然嚴重依賴進口，尤其是在深海探測儀器，其中主要原因是我們對傳感器或元器件等相關(guān)基礎(chǔ)研究不夠重視，一些基礎(chǔ)或核心的傳感器或元器件沒有取得技術(shù)突破或遠落后于世界先進水平[5]。

通常地，深海儀器的研制周期較長。在傳感器層面，研制的樣品一般需要經(jīng)過實驗室驗證和送檢測試兩個階段，后者根據(jù)國家或行業(yè)相關(guān)標準開展性能參數(shù)、壓力試驗、環(huán)境試驗等一系列測試。在儀器層面，研制的樣機也需要經(jīng)過上述系列測試才可以下海進行驗證[6]。以聲學儀器為例，聲學換能器是核心硬件，也是目前限制水下聲學通訊等技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸。深海聲學換能器除了需要開展靈敏度、帶寬、指向性等與常規(guī)聲學換能器一樣的性能測試以外，還需要測試不同水深條件下的上述性能指標變化，由此驗證其深海環(huán)境的適用性。隨著深海探測活動的不斷增多，適用于深海聲學傳感、聲學通訊的各種換能器、傳感器以及相關(guān)產(chǎn)品需求不斷增加，同時隨著這些器件工作水深的不斷增加，對測試平臺的要求也越來越高[7]。常規(guī)消聲水池體積大，安裝吸聲尖劈，測試所需的聲場環(huán)境好，但一般只能實現(xiàn)水深 10 m 以內(nèi)的測量和標定，無法滿足更大深度的測試需求，而耦合腔互易法要求腔體長度和內(nèi)徑不超過被檢上限頻率對應聲波波長的 1/10[8]，只適用于小尺寸無指向的聲學器件測試，無法測試上限頻率較高或尺寸較大的換能器陣列。為解決這一問題，幾個水聲研究的強國都設(shè)計制造了高壓消聲水池，即在常規(guī)高水靜壓艙內(nèi)設(shè)計并安裝吸聲材料或結(jié)構(gòu)，形成在一定頻段內(nèi)的局部自由聲場測試條件，如美國水聲計量中心(USRD)的 18.6 MPa 高壓消聲水池[9]、英國國家物理實驗室(NPL)的 6.8 MPa 高壓消聲水池[10]、日本防衛(wèi)省防衛(wèi)研究所(NIDS)第五研究中心的 18 MPa 高壓消聲水池[11]以及我國杭州應用聲學研究所(Hangzhou Applied Acoustics Research Institute，HAAR)的 10 MPa 高壓消聲水池[12]。

上述高壓消聲水池在推動深海聲學器件和儀器的研制提供了基礎(chǔ)測試條件。本文以上述工作的文獻資料為基礎(chǔ)，設(shè)計了一個最高工作靜壓力達到 20 MPa 的高壓消聲水池。該裝置不僅可以實現(xiàn)常規(guī) 2 000 m 水深以內(nèi)器件和儀器的耐壓測試，而且配以聲學計量系統(tǒng)能實現(xiàn)不同水深條件下的聲學性能測試，在滿足相關(guān)高校、科研機構(gòu)以及企業(yè)的測試需求的同時，對 HAAR 的10 MPa 高壓消聲水池是一個更大工作水深的補充，使我們國家的高壓消聲水池的最大模擬水深達到世界先進水平。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

本文設(shè)計的高壓消聲水池主要實現(xiàn)被測器件或設(shè)備的壓力測試，同時開展其聲學性能測試。其中，壓力測試采用水增壓方式進行升壓，最高測試壓力位為 20 MPa。聲學性能測試包括靈敏度(接收換能器)或聲源級(發(fā)射換能器)、響應頻帶寬度以及指向性等。為滿足上述功能，除了對水池的結(jié)構(gòu)主體、連接器進行耐壓設(shè)計以外，其內(nèi)部四壁需進行消聲設(shè)計，即設(shè)計并安裝能夠承受深水靜壓力的消聲尖劈，在要求的測量頻段內(nèi)，水池內(nèi)部聲學性能達到相關(guān)計量標準要求。 水聲測量對聲場環(huán)境具有嚴格的條件要求。根據(jù)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布的國家計量技術(shù)規(guī)范 JJF 1146-2006《消聲水池聲學特性校準規(guī)范》，除了水池內(nèi)本底噪聲和界面反射因素以外，消聲水池聲學性能的主要技術(shù)要求是在自由聲場區(qū)域或頻率范圍(固定測量位置和測量距離)內(nèi)，一般測量條件下的回聲干涉量不超過 1.0 dB[13]。在測量方法方面，對于滿足上述自由聲場條件的區(qū)域或頻率范圍，可以采用連續(xù)波法，而回聲干涉量超過標準的則采用脈沖波法。無論是采用連續(xù)波還是脈沖波，消聲水池都有可測量的頻率下限。其中，頻率下限主要取決于消聲水池的內(nèi)部尺寸大小、界面反射和測量距離。對于連續(xù)波測量，一般水池越大，界面反射越小，頻率下限越低。由于高壓消聲水池與一般消聲水池相比內(nèi)部尺寸小很多，因此測量頻率下限較高。對于脈沖波測量，脈沖寬度不能超過直達波與反射波的最短聲程差?？紤]到至少一個脈沖周期，測量頻率下限一般不低于一個脈沖周期對應的頻率值。綜上所述，本文設(shè)計的高壓消聲水池的可測量頻率范圍分為兩部分：在高頻段，滿足自由聲場條件的采用連續(xù)波法；在低頻段，滿足最短聲程差要求的采用脈沖波法。具體頻段范圍在本文第 4 小節(jié)內(nèi)部消聲設(shè)計具體給出。

對于具有指向性的聲學換能器測試，一般采用改變被測元件角度或者改變測試元件的位置來實現(xiàn)。高壓消聲水池內(nèi)部空間較小，宜采用前一種方法，即改變被測元件角度，因此本文在高壓消聲水池內(nèi)部增加了步進控制的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動機構(gòu)。同時考慮不同距離測量需求，增加了一個步進控制的中心軸向伸縮機構(gòu)，具體設(shè)計見本文第 3 小節(jié)。由于高壓消聲水池的密閉結(jié)構(gòu)，不帶視窗，因此為滿足測量過程中艙內(nèi)實時觀測的需求，內(nèi)部設(shè)有照明和攝像系統(tǒng)，且通過外設(shè)控制系統(tǒng)可以實時調(diào)節(jié)艙內(nèi)攝像的觀測角度。此外，艙內(nèi)中間段的消聲尖劈為可拆卸，耐壓艙一端的艙蓋為可開合設(shè)計，因此也可滿足較大尺寸儀器設(shè)備的靜壓力測試需求。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于上述主要功能設(shè)計要求，本文設(shè)計的高壓消聲水池系統(tǒng)主要包括以下幾部分：耐壓艙及其增壓控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動機構(gòu)及其步進控制系統(tǒng)、伸縮機構(gòu)及其液壓控制系統(tǒng)、消聲尖劈及其拆卸安裝機構(gòu)、內(nèi)部照明、攝像等輔助設(shè)備。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 1 所示。

耐壓艙中間段采用圓柱形外殼，兩端為半球形封頭，結(jié)構(gòu)耐壓 20 MPa，內(nèi)徑 1.5 m，中心軸向長度 3.0 m，內(nèi)部安裝消聲尖劈后的有效內(nèi)徑 0.9 m，有效長度 2.14 m(中心軸向)。一端艙蓋為液壓驅(qū)動的電控開合設(shè)計，其端部為艙內(nèi)軸向伸縮機構(gòu)的液壓驅(qū)動裝置和控制接口，另一端為不可拆卸的焊接封頭，其端部為內(nèi)部照明和攝像的接口。艙頂部設(shè)有兩個法蘭窗口，窗口中心間距 1.0 m，根據(jù)換能器之間距離應大于或等于被測聲學部件水平方向尺寸的 10 倍要求[14]，可滿足尺寸不超過 0.1 m 的器件測量要求。上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計，包括耐壓艙和內(nèi)部消聲如下所述。

3 耐壓艙設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)強度設(shè)計

圖1 高壓消聲水池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 High-pressure anechoic tank system structure

耐壓艙中間段內(nèi)徑 1.5 m，長度為 1.6 m，焊接封頭內(nèi)部有效半徑 0.75 m，開合端蓋內(nèi)部有效半徑 0.7 m。對于承壓艙體，影響結(jié)構(gòu)強度的主要因素是壁厚和材料[14]。壁厚的確定根據(jù)臨界長度分為長圓筒和短圓筒設(shè)計方案。兩種方法的區(qū)別是長圓筒剛性封頭對筒體中部變形不能起到有效的支撐作用，最容易失穩(wěn)壓癟，而短圓筒兩端封頭對筒體變形有約束作用。當圓筒設(shè)計長度大于臨界長度時，按長圓筒方案進行設(shè)計，反之當圓筒設(shè)計長度小于臨界長度時，按短圓筒方案進行設(shè)計。臨界長度和艙體壁厚、內(nèi)徑有關(guān)，如公式(1)所示：

其中，Lcr為臨界長度，mm；D0為艙體內(nèi)徑，mm；δe為艙體有效壁厚，mm。首先根據(jù)短圓筒壁厚設(shè)計公式：

其中，δ 為壁厚，mm；pc為設(shè)計工作壓力，MPa；σb為材料抗拉強度，MPa；m 為安全系數(shù)，無綱量。本文設(shè)計耐壓艙工作壓力為 20 MPa，內(nèi)徑為 1 500 mm，中間段采用的材料為合金鋼 20 CrMo，其抗拉強度為 885 MPa，同時安全系數(shù)設(shè)計取值為 5，由此壁厚計算值為 84.7 mm，設(shè)計取整 85 mm，代入公式(1)可得臨界長度為 7.4 m，遠大于設(shè)計長度，因此滿足短圓筒設(shè)計要求。焊接封頭的材料與艙體一致，其壁厚按公式(3)計算結(jié)果為 42.9 m，設(shè)計取整 43 mm。由于密封端面需要，開合端蓋的內(nèi)徑略小于焊接封頭，同時材料設(shè)計為抗拉強度略高的合金鋼35 CrMo，抗拉強度為 985 MPa，其壁厚取值與焊接封頭一致。

艙體頂部的兩個法蘭內(nèi)徑為 0.2 m，其壁厚設(shè)計方法采用公式(2)，材料采用合金鋼 20 CrMo，得到的壁厚計算值為 11.2 mm，設(shè)計取整 12 mm。同時窗口的密封端蓋設(shè)計應滿足公式(4)，端蓋材料為合金鋼 35 CrMo，厚度計算值為 28.2 mm，設(shè)計取值 29 mm。

3.2 鎖緊螺栓及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

開合端蓋鎖緊采用高強度螺栓，結(jié)構(gòu)簡單，易操作。端蓋所受應力的計算公式如下：

其中，F(xiàn) 為端蓋所受應力，kN；A0為端蓋內(nèi)表面積，m2。以最高工作壓力 20 MPa 進行計算，可得最大應力為 34 618.5 kN(折合 3 532.5 t)。初步選取規(guī)格為 M64×4 的 12.9 級高強度螺栓，單個螺栓的保證載荷為 115 t，計算螺栓數(shù)量為 30.7 個，設(shè)計取整并保證有效余量的基礎(chǔ)上設(shè)置為 36 個。鎖緊螺栓的具體設(shè)計如圖 2 所示。

圖2 可開合艙蓋緊固方式設(shè)計Fig. 2 Fastening design of openable hatch cover

艙體最高工作壓力 20 MPa 屬中壓范圍，但直徑尺寸較大。為提高密封安全性，本文設(shè)計 3 道密封，包括一用一備 2 道徑向 O 型圈密封，外加 1 道軸向輔助密封。密封結(jié)構(gòu)詳見圖 3。

3.3 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動和軸向伸縮機構(gòu)設(shè)計

旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動機構(gòu)安裝在艙體頂端的一個窗口法蘭上，由減速步進電機驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)角度為±60°，定位精度±0.1°，兩端極限位置有磁感應限位開關(guān)。電機通過傳動軸傳遞動力，艙內(nèi)壓力由傳動軸傳導至推力軸承，避免電機受力，傳動軸帶動磁鐵及旋轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動，完成被測儀傳感器的轉(zhuǎn)向。傳動軸與法蘭之間安裝密封及導向套。具體設(shè)計如圖 4 所示。

圖3 密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Seal structure diagram

圖4 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動機構(gòu)設(shè)計Fig. 4 Rotation mechanism design

軸向伸縮機構(gòu)由液壓缸、固定法蘭、推桿、密封及導向等組成。液壓缸安裝在固定法蘭上，推桿固定在活塞桿端，其中固定法蘭及活塞桿處均設(shè)計相應密封。具體設(shè)計如圖 5 所示。

軸向伸縮機構(gòu)的有效行程為 300 mm，定位精度±1 mm，由外部液壓缸驅(qū)動，比例閥控制，液壓缸安裝位移傳感器，可測量推桿實際移動距離。液壓缸到位且比例閥斷電后，液壓鎖保持推桿定位位置，具體設(shè)計原理見圖 6。

考慮到不破壞艙內(nèi)聲場結(jié)構(gòu)，上述轉(zhuǎn)動機構(gòu)和伸縮機構(gòu)在艙內(nèi)部分的轉(zhuǎn)桿和推桿均采用輕質(zhì)高強度的碳纖維材質(zhì)，轉(zhuǎn)桿及推桿外徑均為 10 mm。

圖5 軸向伸縮機構(gòu)設(shè)計Fig. 5 Axial telescopic mechanism design

圖6 軸向伸縮機構(gòu)控制原理圖Fig. 6 Axial telescopic mechanism control principle diagram

3.4 增壓系統(tǒng)及輔助設(shè)備設(shè)計

增壓系統(tǒng)額定壓力為 30 MPa，包括電動增壓泵、壓力控制系統(tǒng)、壓力傳感器(±1% FS)、卸壓閥和不銹鋼管路等部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。

圖7 增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 7 Booster system structure diagram

壓力控制系統(tǒng)以計算機為核心，通過控制模塊及壓力傳感器完成參數(shù)設(shè)定、壓力采集、顯示、存儲打印等，可實現(xiàn)五級階梯式增壓和保壓，同時具備系統(tǒng)保壓和欠壓補壓功能，其操作界面設(shè)計如圖 8 所示。

輔助裝置主要包括照明及攝像系統(tǒng)等，安裝在試驗艙內(nèi)部，耐壓指標為 30 MPa。攝像裝置清晰度達到 1 080 P，觀測視角為 75°，采用獨立計算機控制及圖像采集保存。照明系統(tǒng)采用多條 LED 燈帶均布在艙體內(nèi)部，亮度可調(diào)。

4 內(nèi)部消聲設(shè)計

4.1 消聲尖劈設(shè)計

常規(guī)消聲水池采用邊界鋪設(shè)橡膠類材料的消聲尖劈[15]，在常壓條件下水池局部區(qū)域形成自由聲場環(huán)境。經(jīng)過多年發(fā)展，常規(guī)消聲水池的工作頻段下限已經(jīng)降低到 1 kHz 左右[16]，但在高水靜壓條件下橡膠材料會產(chǎn)生嚴重形變，吸聲性能[17]無法滿足要求。目前已有的高壓消聲水池都采用具有良好壓力穩(wěn)定性的木質(zhì)尖劈。HAAR 研究人員曾對 4 種木質(zhì)尖劈進行不同水靜壓下的吸聲系數(shù)測量，結(jié)果顯示紅松比杉木、白松、泡桐木具有更高的吸聲系數(shù)[18]。本文項目也采用紅松為材質(zhì)加工消聲尖劈，并對該材料在高水靜壓下的質(zhì)量和形狀變化進行了試驗。具體試驗過程是先對 3 塊松木尖劈進行原料質(zhì)量和形狀尺寸的測量，再進行 20 MPa 的壓力測試，保壓 24 h 后測量其質(zhì)量和形狀尺寸，具體結(jié)果如表 1 所示。經(jīng)過加壓后，尖劈的質(zhì)量顯著增加，平均密度從 449.2 kg/m3增加至約 1 040.9 kg/m3，略超過水的密度，而形變量最大值 2.2 mm，未超過原有尺寸的 5%。

圖8 壓力控制系統(tǒng)操作界面Fig. 8 Pressure control system operation interface

表1 松木尖劈浸水和加壓后的質(zhì)量和形變數(shù)據(jù)Table 1 Quality and deformation data of pine tips after immersion and pressure

本文項目采用的尖劈外形如圖 9 所示。尖劈底部截面是邊長為 d 的正方形，總長 L，分為兩部分，其中過渡部分 L1，基礎(chǔ)部分 L2。根據(jù) HAAR 研究結(jié)果，尖劈總長 L＝300 mm、L1＞120 mm 時在 6 MPa 條件下吸聲系數(shù)可以達到 96%，并建議尖劈長度比 L1∶L2＝2∶1[18]。結(jié)合本項目耐壓艙實際尺寸，設(shè)計的長度參數(shù)定為 L1＝200 mm、L2≥100 mm，其中 L2的具體尺寸根據(jù)安裝部位的不同而不同。尖劈截面尺寸 d 采用 50 mm 和 75 mm 兩種規(guī)格，分別安裝在兩端封頭和中間段。此外，中空結(jié)構(gòu)的尖劈可以加大聲波在材料內(nèi)部的散射和反射，達到增強聲衰減的目的[19]。為簡化加工難度，本項目尖劈的中空結(jié)構(gòu)設(shè)計為圓柱形空腔[20]，頂部呈錐狀，同時在空腔頂部開 2 mm 泄壓孔，目的是保持加壓和泄壓時空腔內(nèi)外壓力一致，減少形變并延長尖劈使用壽命。

圖9 尖劈外形Fig. 9 Wedge shape

4.2 聲場結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖10 耐壓艙內(nèi)消聲尖劈布置和聲傳播路徑示意圖Fig. 10 Schematic diagram of anechoic wedge arrangement and sound propagation path in pressure tank

耐壓艙內(nèi)的消聲尖劈布置如圖 10 所示。如前所述，兩端端蓋處的消聲尖劈基礎(chǔ)部分長度不一，使得尖劈尖端構(gòu)成弧形曲面，目的是使聲波到達端面的時間一致，最大程度減少回波干涉量。艙內(nèi)中間段尖劈長度為 300 mm，因此有效內(nèi)徑為 900 mm。艙頂部的 2 個法蘭窗口間距1 000 mm，其中一個用于安裝聲源(發(fā)射換能器)，距離可開合端蓋處尖劈 771 mm，另一個安裝水聽器(接收換能器)，距離封頭處尖劈 369 mm，因此艙內(nèi)軸向中心處的有效長度為 2 140 mm。

本文采用多物理場模擬軟件 Comsol 對艙內(nèi)聲場特性進行仿真計算，使用的模塊是壓力聲學、瞬態(tài)物理場，同時分別對圖 10 中 3 種介質(zhì)與聲阻抗相關(guān)的密度和聲速參數(shù)進行設(shè)置，其中水介質(zhì)參數(shù)采用系統(tǒng)默認值，具體如表 2 所示。

表2 計算模型中 3 種介質(zhì)的參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter settings of the three media in the calculation model

根據(jù)消聲水池聲學特性校準規(guī)范，首先以圖 10 中 C 處為固定測量位置，考慮不同頻率下該點處的回聲干涉量。回聲干涉量計算方法如下：

其中，Ir為回聲干涉量，dB；Pt為合成聲壓，Pa；Pi為直達波聲壓，Pa?；芈暩缮媪康臏y量應考慮艙內(nèi)反射的充分混疊[23]。根據(jù)圖 10 所示，B 位置設(shè)置點聲源，A 為左端壁面，D 為右端壁面，則直達波到達的時間為：

反射波最先到達的時間為：

反射波最遲到達時間為：

上述 3 個公式等號左邊的 1.5 均為聲速，單位為 m/ms；其余數(shù)字均為幾何空間尺寸，單位為 m。由此在計算中點聲源的設(shè)置選擇脈寬為2 ms，可以滿足反射充分混疊的要求。點聲源的激勵函數(shù)為頻率可調(diào)的脈沖正弦函數(shù)(圖 11)，脈沖時間寬度為 2 ms。具體公式及波形如下所示：

其中，A 為函數(shù)的幅值，取值 10－6Pa；f0為聲源頻率，kHz；t 為脈沖時間，取值 0～2 ms。

圖11 B 點聲源激勵聲波波形Fig. 11 Excitation sound wave waveform at B

圖12 C 點聲場起伏曲線Fig. 12 Fluctuation curve of sound field at C

根據(jù)上述計算模型和公式，以頻率范圍覆蓋 10～90 kHz，步長 2 kHz 對 C 點處不同頻率下的回聲干涉量進行計算，得到該點處的聲場起伏曲線如圖 12 所示。從結(jié)果可知，10～58 kHz 頻段的回聲干涉量大于 1 dB，測量時應采用脈沖波法。58 kHz 以上頻段的回聲干涉量不超過 1 dB，可采用連續(xù)波法測量。

5 討論與分析

高壓消聲水池是水聲研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)測試平臺之一，該工作領(lǐng)域比較窄，相關(guān)工作的研究團隊仍較少。使用“消聲水池”、“高壓水艙”、“High Pressure Water Tank”、“Anechoic water tank”等在國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫，如中國知網(wǎng)(CNKI)、Web of Science 等進行檢索發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外只有 4 個平臺建成并投入使用(見表 3)，相關(guān)較新文獻也僅能檢索到 2008 年。文獻中 4 個開展測量應用的高壓消聲水池平臺裝置的具體參數(shù)與本文設(shè)計裝置(SIAT)的比較如表 3 所示。

表3 國內(nèi)外不同高壓消聲水池參數(shù)比較Table 3 Comparison of parameters of different highpressure anechoic pools at home and abroad

從表 3 可知，美國 USRD 和我國 HAAR 的高壓消聲水池具有相似大小的體積，但 USRD 的最高工作靜壓力比 HAAR 大很多；英國 NPL 和日本 NIDS 的高壓消聲水池具有相似大小的體積(圖 13)，但 NIDS 的最高工作靜壓力比 NPL 的大很多。雖然本文設(shè)計的高壓消聲水池內(nèi)部尺寸較小，但最高工作靜壓力達到了 20 MPa。

除了體積和工作靜壓力以外，消聲水池的可測量頻率下限(自由場互易法)是最關(guān)鍵的參數(shù)。如前所述，頻率下限不僅和內(nèi)部消聲設(shè)計相關(guān)，而且主要取決于內(nèi)部尺寸大小。從表 3 可知，USRD 與 HAAR 的頻率下限都為 2 kHz，兩者具有相似的尺寸；而 NPL 的尺寸略小于前兩者，因此其頻率下限為 3 kHz；NIDS 的頻率下限參數(shù)無法從文獻獲取，但從其尺寸參數(shù)判斷應該和 NPL 的相似。相比之下，本文設(shè)計的高壓消聲水池內(nèi)部尺寸較小，理論上的頻率下限為 4.3 kHz(最短聲程差為 230 μs 對應一個周期的頻率)，考慮到測量的冗余度，設(shè)計工作頻率下限為 10 kHz。

圖13 英國 NPL(左)和日本 NIDS(右)的高壓消聲水池Fig. 13 High-pressure anechoic tank of British NPL (left) and Japan NIDS (right)

綜上所述，本文設(shè)計的高壓消聲水池雖然尺寸較小，工作頻率下限較高，但最大工作靜壓力是 HAAR 的 2 倍，因此是一個工作水深方面的補充。

6 結(jié)論與展望

本文設(shè)計了一種 20 MPa 高壓消聲水池，耐壓艙采用圓柱形外殼，兩端端蓋為半球形，內(nèi)部直徑 1.5 m，中心軸向長度 3.0 m，艙頂部設(shè)有兩個法蘭窗口，窗口內(nèi)徑 200 mm，中心間距 1.0 m，艙內(nèi)部安裝紅松木質(zhì)的消聲尖劈，聲學測量(自由場互易法)的設(shè)計頻率下限為 10 kHz。根據(jù) Comsol 聲學模擬結(jié)果，10～58 kHz 頻段的回聲干涉量大于 1 dB，可采用脈沖波法測量，其中發(fā)射脈沖寬度不超過最短聲程差 230 μs(聲速1 500 m/s)。58 kHz 以上頻段的回聲干涉量不超過 1 dB，可采用連續(xù)波法測量。此外，艙內(nèi)設(shè)有旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動機構(gòu)和軸向伸縮機構(gòu)，可滿足不同角度和不同距離的測量要求，同時設(shè)有照明和攝像系統(tǒng)，滿足實時觀測的需求。艙內(nèi)中間段的消聲尖劈設(shè)計為可拆卸，且一端艙蓋為電動開合設(shè)計，因此也可滿足較大尺寸儀器設(shè)備的靜壓力測試需求。