曹 锃，佟昊陽(yáng)，易 燕，顏士玲，黃唯純，李 水，陳 毅，趙 涵

(1. 杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 國(guó)防水聲計(jì)量一級(jí)站，浙江 杭州 311400.(2. 南京大學(xué) 固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210093)

1 前 言

水聲材料是指在水中具備聲學(xué)功能的材料，是水下聲系統(tǒng)能力形成和發(fā)展的基礎(chǔ)，按材料是否具有電聲轉(zhuǎn)換功能分為有源材料和無(wú)源材料[1]。水聲無(wú)源材料通常具備反聲、透聲、吸聲、折聲、去耦等各類聲學(xué)功能，被制作為不同類型的水聲構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代水聲工程中，如潛艇隱身裝備、水聲換能器、聲納基陣、海洋仿生結(jié)構(gòu)、海洋通訊、水聲設(shè)備等(如圖1所示)，對(duì)促進(jìn)工程科學(xué)、軍事科學(xué)和海洋科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的研究至關(guān)重要[2-8]。例如，現(xiàn)代艦船、潛艇的隱身裝備中廣泛應(yīng)用的消聲瓦、去耦瓦、隔聲瓦、抑振瓦、消聲涂層等；近年來(lái)聲隱身技術(shù)中應(yīng)用的新型聲學(xué)超材料(金屬水、隱身衣等)；聲納導(dǎo)流罩中應(yīng)用的透聲性能良好的透聲窗；消聲水池中的消聲尖劈等。

圖1 水聲材料應(yīng)用場(chǎng)景Fig.1 Application scenes of underwater acoustic materials

在各領(lǐng)域應(yīng)用的水聲材料通常為各類粘彈性體材料，如天然或合成的橡膠、聚氨酯類材料、碳纖維材料等。這類材料制成的水聲構(gòu)件通常在不同的溫度及不同的水壓條件下具有不同性質(zhì)，表現(xiàn)出不同的聲學(xué)特性[9]。因此，為確保水聲材料構(gòu)件在其實(shí)際應(yīng)用中功能的實(shí)現(xiàn)，需對(duì)其在水下不同工況下的聲特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

1.1 水聲材料測(cè)試的歷史

水聲材料測(cè)試的歷史可以追溯至1490年，Leonardo Vinci將一根長(zhǎng)管插入水中，并聽取遠(yuǎn)處行船產(chǎn)生的水下聲響。1827年，Daniel Collaton和Charles Sturn在日內(nèi)瓦湖中進(jìn)行了人類歷史上有記載以來(lái)的首次水聲量值的測(cè)量[10]。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)獲得了極大的發(fā)展，水聲測(cè)試技術(shù)獲得了很大的進(jìn)步，同時(shí)推動(dòng)了水聲材料測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展[11]?？諝饴晫W(xué)領(lǐng)域眾多材料測(cè)試技術(shù)進(jìn)入水聲領(lǐng)域，如雙水聽器法[12]、表面聲壓法[13]、近場(chǎng)聲全息法[14，15]、脈沖聲測(cè)量技術(shù)[16，17]等。1989年，ONION法被提出用于多層復(fù)合材料反射系數(shù)的測(cè)量，該方法于1992年由Piquette進(jìn)一步修正，證明能較為準(zhǔn)確地測(cè)量材料聲反射與透射系數(shù)[18，19]。這些經(jīng)典方法以其簡(jiǎn)單方便的優(yōu)勢(shì)沿用至今。之后，在水聲材料測(cè)試中，建立了眾多的新方法和新技術(shù)，如傳遞函數(shù)法測(cè)量技術(shù)[20，21]、時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)[22，23]、復(fù)移動(dòng)加權(quán)指數(shù)平均技術(shù)[24，25]、寬帶壓縮脈沖疊加技術(shù)[26]等，同時(shí)高壓消聲水池、密閉聲管[27]等深水測(cè)試技術(shù)也獲得了進(jìn)一步發(fā)展，眾多的更為先進(jìn)的海上及湖上試驗(yàn)場(chǎng)、消聲水池相繼得以建設(shè)[28]。

1.2 水聲材料參數(shù)概述

水聲材料構(gòu)件的聲學(xué)性能構(gòu)成很復(fù)雜，針對(duì)不同的聲學(xué)表現(xiàn)，需要相應(yīng)的水聲特性參數(shù)來(lái)表征其聲學(xué)特性。通過將水聲構(gòu)件置于已知的聲場(chǎng)環(huán)境中，測(cè)量聲場(chǎng)中的聲壓關(guān)系，來(lái)描述水聲材料構(gòu)件參數(shù)[29]。在水聲材料領(lǐng)域，最常用的特征參數(shù)包括：表征反聲功能的聲壓反射系數(shù)rp或回聲降低(echo reduction，ER)，表征透聲功能的聲壓透射系數(shù)τp或插入損失IL，表征材料吸聲功能的吸聲系數(shù)α，這些參數(shù)都能通過測(cè)量得到的入射聲壓pi、反射聲壓pr和透射聲壓pt計(jì)算獲得：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

1.3 水聲材料測(cè)試研究現(xiàn)狀

水聲材料的測(cè)試圍繞測(cè)量安裝水聲構(gòu)件后水下聲場(chǎng)中的入射聲壓、反射聲壓及透射聲壓展開，進(jìn)而獲得水聲構(gòu)件的特定聲學(xué)參數(shù)。

當(dāng)前，基本形成了以天然水域、人工水池、密閉聲管及腔體為基本測(cè)試載體，以射線傳播理論、平面波展開理論等為理論方法，以發(fā)射換能器、水聽器及數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)為關(guān)鍵工具的水聲材料測(cè)試體系，朝著不斷拓寬測(cè)試頻段范圍(低頻拓展趨勢(shì))、拓展高壓及變溫環(huán)境測(cè)試條件、提升測(cè)量精度的方向發(fā)展。一方面，得益于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，寬帶脈沖壓縮技術(shù)、寬帶信號(hào)測(cè)量技術(shù)和多路徑信號(hào)建模技術(shù)等方法降低了有限水域內(nèi)材料測(cè)量的低頻限。同時(shí)，隨著材料制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，高壓及更精準(zhǔn)的控溫系統(tǒng)得以開發(fā)，測(cè)試環(huán)境變化條件的實(shí)現(xiàn)使深水測(cè)試及復(fù)雜環(huán)境條件下的測(cè)試得到了長(zhǎng)足發(fā)展。另一方面，以光纖水聽器、矢量水聽器為代表的先進(jìn)儀器走入水聲材料測(cè)量領(lǐng)域，通過獲得更多的聲場(chǎng)信息(聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速)，拓展了信號(hào)處理空間，提升了測(cè)量的精度[30]。

1.4 水聲材料測(cè)試面臨的困難

在水聲材料測(cè)試方面，國(guó)內(nèi)外仍然面臨許多亟待解決的困難。作者認(rèn)為主要可歸納為以下兩方面。

首先，在低頻拓展方面存在技術(shù)和理論方面的困難。一方面，低頻指向性發(fā)射換能器目前在國(guó)內(nèi)仍存在眾多技術(shù)及理論難題，在國(guó)際上超遠(yuǎn)程探測(cè)聲納工作頻段降至100 Hz左右的背景下，我國(guó)在低頻指向性發(fā)射換能器領(lǐng)域進(jìn)展緩慢[31]。這是水聲測(cè)量中普遍面臨的問題，也導(dǎo)致水聲材料低頻測(cè)試受發(fā)射換能器低頻限制難以開展。另一方面，超低頻水聲材料測(cè)量的測(cè)試環(huán)境存在一定的限制。超低頻信號(hào)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，為避免邊緣衍射的干擾，對(duì)被測(cè)樣品的尺寸提出了更高的要求，當(dāng)前國(guó)內(nèi)消聲水池已無(wú)法滿足測(cè)試需求，通常需要在天然水域中進(jìn)行測(cè)試。但在天然水域中進(jìn)行水聲材料測(cè)試定位精度低且易受外界噪聲影響，使低頻測(cè)試的難度增加，測(cè)量不確定度增大。因此，需建設(shè)更大尺寸、更高消聲標(biāo)準(zhǔn)的消聲水池以適應(yīng)超低頻水聲材料的測(cè)試需求。

其次，在測(cè)試的更高壓拓展方面存在技術(shù)方面的困難。深海環(huán)境(超高壓，7000～10 000 m水深條件)的水聲材料測(cè)試的測(cè)試條件在國(guó)內(nèi)仍不能實(shí)現(xiàn)：一方面，密封技術(shù)仍有待進(jìn)一步提升；另一方面，發(fā)射換能器及水聽器等測(cè)試設(shè)備的超高壓適應(yīng)性研究仍應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)[31]，以滿足水聲材料的超高壓測(cè)試需求。

本文簡(jiǎn)要介紹了目前水聲材料構(gòu)件測(cè)試技術(shù)的研究進(jìn)展，并討論了未來(lái)的發(fā)展方向。首先，介紹了水聲構(gòu)件的聲管測(cè)試技術(shù)，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外常用的駐波管、脈沖管及行波管測(cè)試方法的適用范圍和新技術(shù)進(jìn)行了介紹，并闡明了目前聲管測(cè)試技術(shù)仍需解決的技術(shù)難點(diǎn)。其次，介紹了水聲構(gòu)件的自由場(chǎng)法及壓力罐法測(cè)試技術(shù)，著重討論了當(dāng)前在解決自由場(chǎng)測(cè)試中水聲構(gòu)件邊緣衍射方面的研究成果及存在的困難。

2 水聲材料測(cè)試技術(shù)的研究進(jìn)展

2.1 水聲材料的聲管測(cè)試技術(shù)

水聲材料構(gòu)件的聲學(xué)特征參數(shù)是在平面波聲場(chǎng)條件下被定義[10]。獲取平面波聲場(chǎng)的常用方法是使聲波在波導(dǎo)管中傳播，這種波導(dǎo)管便稱為聲管。水聲構(gòu)件的聲管測(cè)試技術(shù)基于聲波導(dǎo)管理論將聲學(xué)測(cè)量簡(jiǎn)化為一維問題，通過在充滿水的剛性壁面聲管內(nèi)發(fā)射平面波，利用被測(cè)水聲構(gòu)件的回波性質(zhì)來(lái)計(jì)算其相關(guān)聲學(xué)參數(shù)，即通過分析聲管中傳播的入射聲壓pi、反射聲壓pr及透射聲壓pt間的關(guān)系獲得材料特性，如圖2所示[32]。聲管測(cè)試技術(shù)的頻率范圍受限于聲管的尺寸。為確保聲管中能形成穩(wěn)定的簡(jiǎn)正平面波，聲管存在一個(gè)與管徑r相關(guān)的上限頻率，即截止頻率fmax。對(duì)于剛性壁充滿水的聲管，截止頻率則為[33]：

國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人在《關(guān)于推動(dòng)傳統(tǒng)媒體和新媒體融合發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確指出，要進(jìn)一步推動(dòng)傳統(tǒng)媒體與新媒體之間的融合，深化廣電事業(yè)發(fā)展中的互聯(lián)網(wǎng)思維，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)媒體與新媒體之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、資源整合，將先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備作為支撐，科學(xué)的內(nèi)容建設(shè)作為歸屬，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)媒體與新媒體從內(nèi)容、平臺(tái)、管理、渠道等多個(gè)維度的深化融合，進(jìn)而快速打造起全方位、立體化、融合發(fā)展的信息傳播系統(tǒng)?？梢娒浇槿诤系牧α渴菑?qiáng)大的。

圖2 水聲材料參數(shù)聲管法測(cè)試中聲波入射、反射、透射示意圖Fig.2 Schematic of sound wave incidence，reflection and transmission in sound tube test for underwater acoustic materials

(6)

式中，cw為水中聲速。聲管的下限頻率fmin與眾多因素有關(guān)，包括脈沖聲管的有效長(zhǎng)度、配套使用的換能器的低頻限及相關(guān)的測(cè)量要求[10]。其中，脈沖管法僅依據(jù)聲管有效長(zhǎng)度L獲得的低頻限可表示為式(7)[33]：

(7)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外典型的聲管測(cè)試裝備測(cè)試范圍可從數(shù)十赫茲至數(shù)十千赫茲。根據(jù)聲波信號(hào)分離方式及測(cè)試頻率范圍的差異，聲管測(cè)試技術(shù)可以分為脈沖管法、駐波管法和行波管法[34，35]。

駐波管法利用發(fā)射換能器連續(xù)發(fā)射單頻聲波，在管中形成由入射聲波和經(jīng)樣品的反射聲波組成的駐波場(chǎng)。駐波管法測(cè)量經(jīng)過多年的發(fā)展形成了2種較為成熟的方式：駐波比法和傳遞函數(shù)法。駐波比法是在聲管中布置一個(gè)可沿著管軸移動(dòng)的聲源或探針?biāo)犉?，分析駐波聲場(chǎng)中的極大聲壓值和極小聲壓值，計(jì)算得到材料的反射系數(shù)，如圖3a所示[36，37]。該方法具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但可移動(dòng)的聲源終端在高壓環(huán)境下密封和運(yùn)動(dòng)存在一定困難；而可移動(dòng)探針?biāo)犉餍枰跍y(cè)試樣品上設(shè)置一個(gè)中心孔，這使測(cè)試材料的完整性被破壞，在一定程度上會(huì)降低測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。為解決駐波比法存在的缺陷，一種不需要移動(dòng)水聽器及聲源終端的方法應(yīng)運(yùn)而生，即傳遞函數(shù)法[20，38，39]。如圖3b和3c所示，該類聲管測(cè)量裝置預(yù)先在駐波管內(nèi)固定位置布置多個(gè)水聽器，利用多個(gè)水聽器測(cè)量管內(nèi)駐波聲場(chǎng)，通過傳遞函數(shù)技術(shù)分離入射和反射聲波，并分析計(jì)算材料樣品的反射系數(shù)。駐波管法為在管內(nèi)形成穩(wěn)定的駐波，需要發(fā)射換能器發(fā)射連續(xù)聲波，入射聲波和反射聲波較易分離，該方法適用于處于水-材料-空氣工況下的水聲構(gòu)件測(cè)試。

圖3 駐波管法測(cè)試示意圖：(a)駐波比法，(b)傳遞函數(shù)法，(c)杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所基于傳遞函數(shù)法的Φ208駐波管測(cè)量裝置Fig.3 Schematic of standing wave tube method for sound tube test：(a)standing wave ratio method，(b)transfer function method，(c)the Φ208 standing wave tube equipment based on the transfer function method in Hangzhou Institute of Applied Acoustics

脈沖管法的測(cè)量原理是通過控制發(fā)射換能器發(fā)射聲波的脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)聲管中入射聲波、反射聲波及透射聲波的分離，可直接測(cè)量水聲構(gòu)件的反射系數(shù)、透射系數(shù)和吸聲系數(shù)，如圖4所示[40-42]。脈沖管法是一種可直接在時(shí)域上分離3種聲波的方式，具有測(cè)試簡(jiǎn)單、可靠的優(yōu)勢(shì)。但該方法為避免聲管內(nèi)3種聲波信號(hào)間的相互疊加干擾，對(duì)發(fā)射聲波的脈沖寬度及聲管的長(zhǎng)度存在較高的要求。發(fā)射脈沖的寬度與發(fā)射換能器的品質(zhì)因素Q及諧振頻率f0、水中聲速cw、聲管有效長(zhǎng)度L和測(cè)量所要求的穩(wěn)態(tài)正弦波數(shù)K密切相關(guān)，這進(jìn)一步限制了脈沖聲管測(cè)量的下限頻率(fmin≈Kcwf0/(2Lf0-Qcw))。相較于駐波管法，脈沖管法技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)低頻(1 kHz以下)要求下水聲構(gòu)件的測(cè)試(以杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所Φ120脈沖管測(cè)量裝置為例，脈沖管管長(zhǎng)為6 m，測(cè)試的低頻限為2 kHz)，而駐波管法測(cè)量技術(shù)測(cè)量低頻限可達(dá)數(shù)百赫茲。

圖4 脈沖管法測(cè)試示意圖(a)，杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所的Φ120脈沖管測(cè)量裝置(b)Fig.4 Schematic of pulse tube method for sound tube test (a)，the Φ120 pulse tube equipment in Hangzhou Institute of Applied Acoustics (b)

為解決脈沖管法低頻測(cè)試的不足，研究人員發(fā)展了行波管法測(cè)量技術(shù)，如圖5所示。該方法通過發(fā)射換能器發(fā)射單頻連續(xù)信號(hào)，在聲管左半段形成由入射聲波和反射聲波組成的駐波聲場(chǎng)，在聲管的右半段形成由透聲聲波組成的行波聲場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)水聲構(gòu)件的反射系數(shù)、透射系數(shù)和吸聲系數(shù)的分析與計(jì)算[43，44]。早期的行波管為避免透射聲波影響管左半段的駐波聲場(chǎng)，通常在管右半段終端鋪設(shè)吸聲尖劈等吸聲措施，但存在低頻測(cè)量時(shí)尖劈尺寸過長(zhǎng)的問題(吸聲尖劈的長(zhǎng)度約為吸聲截止頻率的半波長(zhǎng)，吸聲截止頻率為200 Hz時(shí)，尖劈的長(zhǎng)度約為7.5 m)。近年來(lái)，有源消聲的輔助換能器終端成為行波管法的主流發(fā)展方向，該方法通過調(diào)整發(fā)射換能器和輔助換能器的幅度比和相位差，實(shí)現(xiàn)透射聲波的單向傳播效果，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)消聲[43]。這也對(duì)水聽器組的靈敏度、布放位置，及換能器的電聲響應(yīng)靈敏度、聲信號(hào)信噪比等提出了極高的要求。行波管法測(cè)試技術(shù)能夠較好地解決低頻要求下(<400 Hz)水聲構(gòu)件的反射系數(shù)、透射系數(shù)和吸聲系數(shù)的測(cè)試[43]。

圖5 行波管法測(cè)試示意圖(a)，杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所的Φ208行波管測(cè)量裝置(b)Fig.5 Schematic of traveling wave tube method for sound tube test (a)，the Φ208 traveling wave tube equipment in Hangzhou Institute of Applied Acoustics (b)

近年來(lái)，水聲構(gòu)件的聲管測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)圍繞解決低頻要求下(1 kHz以下)的測(cè)量問題，并且不斷朝著更低頻(50 Hz以下)、多樣化的測(cè)試環(huán)境方向發(fā)展。一方面，聲管測(cè)試的低頻化發(fā)展需求不斷增加，當(dāng)前國(guó)內(nèi)行波管的測(cè)量裝置低頻測(cè)試頻率可達(dá)到50 Hz，進(jìn)一步降低聲管的測(cè)試低頻限，需要換能器、水聽器等測(cè)試設(shè)備技術(shù)的進(jìn)一步提升[35]。另一方面，隨著各類裝備向深海、變溫環(huán)境的發(fā)展，聲管測(cè)試技術(shù)也通過適配加壓、控溫設(shè)施來(lái)模擬不同的海洋環(huán)境。聲管測(cè)試技術(shù)向更高壓發(fā)展，仍需提升聲管制作材料、換能器、水聽器等測(cè)量設(shè)備的高壓適配性[45]。尋找兼顧材料強(qiáng)度及耐壓性的超材料，在不增加材料厚度、確保材料強(qiáng)度的條件下實(shí)現(xiàn)聲管的高壓測(cè)試，是聲管材料的發(fā)展方向。耐高靜水壓的水聽器可通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以解決，如可在水聽器外部加裝耐壓殼等。電動(dòng)換能器技術(shù)具有低頻發(fā)射響應(yīng)高、方向性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可利用它進(jìn)一步降低聲管測(cè)試的低頻限制，其高壓適配性可通過壓力補(bǔ)償法加以解決。

聲管測(cè)試技術(shù)的3種測(cè)量方法的適用條件及測(cè)試頻率范圍各不相同，相互補(bǔ)充。截至目前，聲管測(cè)試技術(shù)仍存在一系列亟需解決的技術(shù)難題。一方面，由于聲管尺度的限制，測(cè)試的水聲構(gòu)件被限制為小樣品。相較于水聲構(gòu)件的原尺度及結(jié)構(gòu)，小樣品水聲構(gòu)件的局部聲學(xué)性能通常不能闡明結(jié)構(gòu)的整體特性，尤其對(duì)于具備周期結(jié)構(gòu)、材料不均勻性等特質(zhì)的復(fù)合材料或超構(gòu)材料進(jìn)行測(cè)試時(shí)，具有較高不確定性[46-48]。另一方面，水聲構(gòu)件安裝至聲管后，構(gòu)件與管壁之間仍存在極小的縫隙，這會(huì)引起構(gòu)件邊緣的繞射現(xiàn)象，對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性造成一定影響。

2.2 水聲材料的自由場(chǎng)法及壓力罐法測(cè)試技術(shù)

對(duì)較大或全尺寸水聲構(gòu)件的測(cè)量通常使用自由場(chǎng)法測(cè)試技術(shù)。自由場(chǎng)法測(cè)試技術(shù)是將待測(cè)水聲構(gòu)件置于消聲水池或開闊水域中，在水聲構(gòu)件前側(cè)布置水聽器以接收入射聲波和反射聲波，在水聲構(gòu)件后側(cè)布置水聽器接收透射聲波，如圖6所示。

圖6 自由場(chǎng)法測(cè)試示意圖(a)，用于自由場(chǎng)法測(cè)試的杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所的50 m×15 m×10 m中低頻全消聲水池(b)Fig.6 Schematic of free-field method test (a)，50 m×15 m×10 m mid-low frequency fully anechoic pool in Hangzhou Institute of Applied Acoustics for free-field method test (b)

水聲材料的自由場(chǎng)法及壓力罐法測(cè)試技術(shù)在應(yīng)用過程中主要的限制來(lái)源于測(cè)試構(gòu)件(板體)的邊緣衍射。Zeqiri等[49]通過掃描水聲面板周圍的水聽器，獲得了脈沖信號(hào)到達(dá)板之前(圖7a)和與板相互作用后(圖7b)的波形，可以清楚觀察到面板附近的發(fā)射信號(hào)、透射信號(hào)及衍射信號(hào)。Szabo等[50]通過試驗(yàn)測(cè)試詳細(xì)說(shuō)明了衍射信號(hào)對(duì)水聲材料測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，圖7e為采用圖7c所示的板安裝構(gòu)型對(duì)3種不同尺寸的板體結(jié)構(gòu)測(cè)試得到的回聲降低及插入損失及與理論值對(duì)比結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)板體尺寸越小，板體邊緣衍射造成的測(cè)試結(jié)果與理論解的差別越大。在測(cè)試的聲場(chǎng)中，由于板體邊緣會(huì)形成衍射，衍射聲波幾乎與反射聲波、透射聲波同時(shí)到達(dá)水聽器，在時(shí)間上發(fā)生信號(hào)的混疊，這造成測(cè)量的誤差[51-53]。

圖7 水聲板構(gòu)件的衍射對(duì)水聲材料測(cè)量的影響[49，50]：(a)脈沖信號(hào)到達(dá)板之前的波形信號(hào)，(b)脈沖信號(hào)與板相互作用后的波形信號(hào)，(c)普通剛性障板，(d)周圍安裝閉合孔聚乙烯泡沫材料的障板，(e)按圖7c方式安裝的不同尺寸的板體結(jié)構(gòu)的回聲降低及插入損失及與理論值對(duì)比Fig.7 Influence of diffraction of underwater acoustic panel components on measurement of underwater acoustic materials[49，50]：(a)the waveform signal before the arrival of the pulse signal to the board，(b)the waveform signal after the interaction of the pulse signal with the board，(c)ordinary rigid barrier，(d)barrier around with installed closed-hole polyethylene foam material，(e)results of echo reduction (return loss，RL)and insertion loss (transmission loss，TL)testing for structures of different board sizes with the form of fig.7c and comparison with theoretical values

為克服邊緣衍射帶來(lái)的測(cè)量誤差問題，眾多學(xué)者提出了一系列方法以消除或減小其造成的影響。首先，在測(cè)試中，要求測(cè)試樣品的邊長(zhǎng)制作為測(cè)試頻率的水下波長(zhǎng)的2～5倍，且水聽器布置時(shí)盡可能地靠近板體。該方法對(duì)測(cè)試人員的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)帶來(lái)了極大的考驗(yàn)，需要多次調(diào)試測(cè)量設(shè)備距離板體的位置以確定衍射影響是否消除，且水聽器與板體距離過近時(shí)，極有可能帶來(lái)入射信號(hào)與反射信號(hào)難以分離的問題。同時(shí)，在低頻測(cè)試需求下，對(duì)測(cè)試板體的尺度要求較高(如測(cè)試頻率要求為1 kHz，板體邊長(zhǎng)最低要求為3 m)，對(duì)于一些比較昂貴的材料，測(cè)試樣品的成本將變得極高。其次，各類信號(hào)處理方法被廣泛應(yīng)用于此類問題，如寬帶脈沖壓縮技術(shù)[26]、基于Babinet原理的理想波方法(the Dreamwave method)[54]、ONION法[18，19，55]、修正Prony法[56]等。在自由場(chǎng)法中通常使用發(fā)射換能器發(fā)射足夠短的脈沖聲波，在同一發(fā)射條件下對(duì)水聲構(gòu)件存在與不存在時(shí)的聲場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，利用2次測(cè)量結(jié)果的差值來(lái)分離入射聲波和反射聲波[57]。在這種方法的基礎(chǔ)上，杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所李水等[26，58，59]在國(guó)內(nèi)首次提出了基于寬帶脈沖壓縮技術(shù)的自由場(chǎng)測(cè)量方法，該方法應(yīng)用逆濾波技術(shù)對(duì)聲源信號(hào)預(yù)處理，壓縮脈沖寬度，減小了樣品邊緣衍射的影響，同時(shí)有效降低了標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的低頻限(可測(cè)試頻率低至2 kHz)，實(shí)現(xiàn)了材料的反射和透射系數(shù)的寬帶測(cè)量。圖8表明采用寬帶脈沖壓縮技術(shù)能夠縮短脈沖的時(shí)間，頻譜得到極大程度的改善。但該方法會(huì)使入射聲波能量出現(xiàn)一定程度的損耗，可能造成測(cè)試中測(cè)試信號(hào)信噪比不足的問題。ONION法是在后處理過程中通過未受邊緣衍射影響的瞬態(tài)波獲得穩(wěn)態(tài)波，該方法適用于由已知材料制成的多層厚板[55]。

圖8 采用寬帶脈沖壓縮技術(shù)得到尖銳脈沖波形[26]：(a)原輸出波形與頻譜，(b)壓縮后的波形及頻譜Fig.8 Sharp pulse waveform obtained by broadband pulse compression technique[26]：(a)original output waveform and spectrum，(b)compressed waveform and spectrum

再者，參量陣技術(shù)以其高指向性的優(yōu)勢(shì)被用于降低板體邊緣衍射的影響[60-62]。該技術(shù)使水聲構(gòu)件中心處的聲波達(dá)到最大，而使邊緣衍射聲波降低。然而，參量陣技術(shù)中的低頻聲波通過高頻波相互作用獲得，這一過程具有極強(qiáng)的非線性，在測(cè)量中必須確保非線性效應(yīng)不會(huì)影響其過程。同時(shí)，參量陣技術(shù)獲得的差頻波具有信噪比低的缺陷，如何提高該技術(shù)中的發(fā)射源級(jí)，獲取滿足測(cè)試要求的信噪比仍需研究[57，63]。信號(hào)處理方法及參量陣技術(shù)應(yīng)用時(shí)，仍不可避免地需要調(diào)整水聲構(gòu)件與測(cè)量水聽器的位置以減少衍射聲波的探測(cè)，可能使測(cè)量系統(tǒng)過于復(fù)雜。

近年來(lái)，在降低衍射影響的測(cè)量方式中也涌現(xiàn)了一系列的新方法。杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所易燕等[64]對(duì)比了單水聽器聲壓法、偶極子水聽器聲壓法和雙水聽器聲強(qiáng)法測(cè)量大面積水聲構(gòu)件的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)偶極子水聽器及雙聲強(qiáng)水聽器具有指向性的特點(diǎn)，可極大程度地降低邊緣衍射的影響。哈爾濱工程大學(xué)時(shí)勝國(guó)等[65，66]利用矢量水聽器的抗各向同性噪聲、低頻指向性好等優(yōu)勢(shì)降低了水聲材料測(cè)試中多途干擾及樣品邊緣衍射效應(yīng)的影響。Szabo等[50]通過在水聲構(gòu)件的周圍安裝由閉合孔聚乙烯泡沫材料組成的障板(圖7d)，利用障板符合完全軟材料的性質(zhì)(反射系數(shù)為-1)，來(lái)降低邊緣衍射的影響，但該方法在入射聲波頻率較低(<5 kHz)時(shí)，其結(jié)果與理論值仍有一定偏差，如圖9d所示。Roux等[67]提出了三點(diǎn)測(cè)量法來(lái)降低構(gòu)件邊緣衍射的影響，通過將總聲壓分解為入射聲壓、反射聲壓、透射聲壓及邊緣衍射聲壓，利用水聲構(gòu)件前后水聽器(圖9a)，在前后各3處不同位置(A1，A2，A3，B1，B2，B3)分別測(cè)量以確定不同聲壓的貢獻(xiàn)值(圖9b)，研究表明該方法能夠準(zhǔn)確測(cè)定水聲構(gòu)件的反射和透射系數(shù)(圖9c)。李建龍等[22，23]將時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)用于多途效應(yīng)明顯的波導(dǎo)環(huán)境中的水聲材料測(cè)量，研究表明該技術(shù)可顯著降低中低頻段聲波衍射對(duì)材料測(cè)量的影響。

圖9 采用三點(diǎn)法及障板降低邊緣衍射影響：(a)三點(diǎn)測(cè)量法中水聽器位置示意圖，(b)三點(diǎn)測(cè)量法中測(cè)點(diǎn)位置示意圖，(c)采用三點(diǎn)測(cè)量法獲得的水聲構(gòu)件反射和透射系數(shù)曲線[67]；(d)按圖7d形式安裝閉合孔聚乙烯泡沫材料障板后的反射、透射系數(shù)曲線[50]Fig.9 Using three-point method and baffle to reduce the influence of edge diffraction：(a)arrangement schematic of hydrophones in the three-point measurement method，(b)schematic diagram of measurement point positions in the three-point measurement method，(c)reflection and transmission coefficient curves of underwater acoustic component obtained using the three-point measurement method[67]；(d)reflection and tronsmission coefficient curves of barrier with installed closed-hole polyethylene foam material with the form of fig.7d[50]

隨著高壓及變溫環(huán)境下水聲材料測(cè)試需求的不斷強(qiáng)化，壓力罐法測(cè)試技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。將待測(cè)的水聲構(gòu)件置于壓力罐(圖10)中，通過調(diào)節(jié)罐內(nèi)靜水壓和溫度以滿足樣品在不同環(huán)境條件下的測(cè)試需求[57]。壓力罐測(cè)試方法由于其罐體本身尺寸的問題，通常只能對(duì)較高頻率工況下的樣品進(jìn)行測(cè)試(罐體內(nèi)尺寸Φ4 m×12 m，最高靜水壓4.5 MPa)[63]。壓力罐法測(cè)試技術(shù)面臨著與聲管法測(cè)試技術(shù)同樣的發(fā)展需求，即更高壓、更低頻的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步提升壓力罐法測(cè)試的適用性。解決壓力罐法的更高壓測(cè)試首先需解決高壓環(huán)境條件下吸聲尖劈吸聲性能急劇下降的缺陷[68，69]，當(dāng)前迅速發(fā)展的超材料構(gòu)件可能成為行之有效的方法，如局域共振晶體、復(fù)式晶格結(jié)構(gòu)體、多孔泡沫材料等[70]。壓力罐內(nèi)的低頻測(cè)試的發(fā)展可利用耐高壓發(fā)射參量陣技術(shù)提高低頻信號(hào)的指向性，及利用水聽器接收陣列提高接收性能。

圖10 杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所的10 MPa壓力罐法測(cè)試裝置Fig.10 10 MPa pressure tank test device in Hangzhou Institute of Applied Acoustics

水聲材料的自由場(chǎng)法測(cè)試技術(shù)朝著不斷降低甚至消除樣品邊緣衍射的影響、更低頻的測(cè)試條件(低至200 Hz)的趨勢(shì)發(fā)展。實(shí)現(xiàn)更低頻的測(cè)試條件已經(jīng)成為亟需解決的問題。通常低頻測(cè)試條件對(duì)消聲水池的尺寸要求極高，或采用湖海測(cè)試的方式來(lái)滿足低頻大尺寸樣品測(cè)試條件。但湖海測(cè)試中，常常受到風(fēng)、浪、流噪聲的影響，尤其在低頻段測(cè)試中，會(huì)致使有效信號(hào)的信噪比極低，測(cè)試的有效性大打折扣。因此，基于自由場(chǎng)法的更低頻測(cè)試的各類條件建設(shè)及新方式仍有待繼續(xù)研究。

水聲材料的自由場(chǎng)法測(cè)試中，降低邊緣衍射可在進(jìn)一步降低信號(hào)幅值、壓縮信號(hào)長(zhǎng)度、提高信號(hào)發(fā)射及接收指向性等方向開展研究，從信號(hào)發(fā)射源角度降低樣品邊緣衍射。在建設(shè)更大消聲水池的基礎(chǔ)上，發(fā)展基于數(shù)字孿生的數(shù)字水池是適應(yīng)自由場(chǎng)法更低頻測(cè)試趨勢(shì)的發(fā)展方向。目前國(guó)內(nèi)的消聲水池最大長(zhǎng)度在50 m以內(nèi)，寬度在25 m以內(nèi)，深度在20 m以內(nèi)，滿足不了水聲材料低頻的測(cè)試需求。測(cè)試頻率為200 Hz時(shí)，為避免水池邊界等對(duì)材料測(cè)試的影響(回波干擾)，水池的寬度及深度至少應(yīng)在25 m以上，測(cè)試頻率更低則需水池深度和寬度值更大。此時(shí)，可在消聲水池內(nèi)布設(shè)接收平面陣列，收集水池內(nèi)聲場(chǎng)分布信息，進(jìn)而利用數(shù)字水池形成實(shí)物半實(shí)物仿真系統(tǒng)以滿足更低頻測(cè)試需求。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過對(duì)目前水聲材料構(gòu)件的聲管測(cè)試技術(shù)、自由場(chǎng)測(cè)試技術(shù)及壓力罐測(cè)試技術(shù)研究的簡(jiǎn)要介紹，討論了目前水聲材料構(gòu)件測(cè)試技術(shù)存在的困難和挑戰(zhàn)，并展望了水聲材料構(gòu)件測(cè)試技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

水聲材料構(gòu)件的聲管測(cè)試技術(shù)可分為駐波管法、脈沖管法和行波管法，這3種方法的測(cè)試頻率范圍、適用條件各不相同，互為補(bǔ)充。聲管測(cè)試技術(shù)存在測(cè)試構(gòu)件尺寸較小難以闡明整體結(jié)構(gòu)的整體特性的問題，以及構(gòu)件與管壁間的極小縫隙會(huì)造成測(cè)量失準(zhǔn)的問題。同時(shí)，水聲材料構(gòu)件的自由場(chǎng)測(cè)試及壓力罐測(cè)試技術(shù)是大面積水聲材料測(cè)試的有效手段，但在應(yīng)用過程中存在測(cè)試構(gòu)件邊緣衍射引起測(cè)量誤差的問題，在未來(lái)仍需重點(diǎn)解決低頻條件下的這一問題。

未來(lái)水聲材料測(cè)試技術(shù)將朝著更高壓、更低頻方向發(fā)展。水聲材料高壓測(cè)試發(fā)展需重點(diǎn)解決聲管制作材料、換能器、水聽器、吸聲尖劈吸聲性能等方面技術(shù)難題。超材料的迅速發(fā)展及研究的深入，可為用于高壓測(cè)試的聲管制作材料及高壓環(huán)境下吸聲尖劈的吸聲性能增強(qiáng)提供可能性。壓力補(bǔ)償法的出現(xiàn)為換能器的高壓適配性提供了方向，結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)可為水聽器的高壓工作提供可能性。發(fā)展低頻測(cè)試需在各類條件建設(shè)及新方式方面繼續(xù)研究。壓力罐內(nèi)的低頻測(cè)試拓展可借助參量陣技術(shù)及水聽器陣列加以克服。自由場(chǎng)中的更低頻測(cè)試拓展可在建設(shè)更大消聲水池的基礎(chǔ)上，發(fā)展基于數(shù)字孿生的數(shù)字水池。