Page 66 - 应用声学2019年第4期

526 2019 年 7 月

式描述：
0 引言 A A √
2
2
p(r) = e j(ωt−kr) + α(θ)√ e j(ωt−k d +r ) .
r d + r 2
2
声源的测量是声学系统设计、应用、评价、考核
声压幅值平方可以表述为
等过程中的重要环节，在换能器设计制造过程中一
A 2 {
2
般通过自由场条件进行测试计量。但在换能器安装 |p(r)| = 1 + [α(θ)] sin θ + 2α(θ) sin θ
2
2
r 2
到设备系统中以后，由于安装结构中存在复杂的散 √ }
2
2
· cos(k d + r − kr) , (1)
射体，对换能器的发射特性进行在线测量一直是工
r
程应用中未能很好解决的一项技术难题。在声呐系 其中，sin θ = √ 。
2
d + r 2
统或水声设备中使声源完全没有散射体几乎不太 公式 (1) 描述声压的幅值在 r 较小的近场区间
可能，一般尽量设计在半空间内并且散射面尽可能 将呈现振荡分布，并且随着r 的增大，声程差引入的
小以减少对发射声场造成的影响。目前关于解决复 相位差小于 π/2 以后，声压的幅值逐渐平缓过渡至
杂声源测量的方法需要通过较大规模接收基阵来 远场区，呈随r 反比衰减规律。由图1 可知θ 6 π/2，
完成 [1] ，处理算法上包括声全息技术 [2−5] 、波束形 因此近场振荡分布主要贡献来源于 S 虚源 S 1 的声
成技术 [5−6] 、声强处理技术 [7] 等。上述方法一般应 程差因子。
用于未知声源或分布结构噪声的检测与识别，在处
S 1
理存在散射体影响下声源标定测试问题时应用这 θ
O U
些方法显得设备复杂、处理繁琐，并且精度又未必 d
能够有效保证。针对现今尚无有效方法实现散射条 R P
件下声源的简便测量问题，设想可以介入加设专门 S
r
的障板，“隔离”结构散射体的散射贡献，通过理论
分析或实验技术使散射场已知或者可以分离。本文 图 1 刚性圆盘散射模型示意图
将依据刚性圆盘散射规律通过分析其对声源辐射 Fig. 1 Schematic diagram of model for sound scat-
特性的影响，尝试探索一种简捷的声源分离与参数 ting of rigid disk
获取的技术途径。 声压反射系数 α(θ) 实际上是一个关于 θ 的分

布函数，它代表刚性圆形障板 U 在 θ 角观察方向的
1 刚性圆盘散射作用对声源辐射声场的 散射本领，在讨论目标散射问题时，已经给出了圆盘
影响
散射声场分布的描述 [8−9] ，α(θ) 分布函数包含 cosθ
1.1 理论分析 比例因子，因此在 θ → π/2 的远场区域，α(θ) → 0。
于是公式(1)可以化简为
分析模型描述如下：考虑一个球形声源 S 与复
杂散射体 O 共处同一空间，O 的散射场与声源 S 的 |p(r)| = A 2 . (2)
2
直接辐射声场无法通过脉冲技术进行分离，在 S 与 r 2
公式 (2) 的含义是声源 S 在与观察轴线平行的圆形
O 之间放置一半径为 R 的圆形障板 U，隔离 O 的散
刚性障板散射作用下，在满足远场条件时，该轴线上
射作用。假定 S 位于 U 的对称轴上，距 U 的反射面
声压幅值分布与引入的障板无关。
距离为 D = d/2，如图 1 所示，该模型将复杂散射
体 (可以是多个) 散射问题转化成平行障板的散射 1.2 有限元建模分析
问题。设声源 S 在关于 U 的对称位置形成一个虚源 上述理论分析中，虽然假设 S 为球形声源，讨
S 1 ，观察点 P 与 S 的距离为 r，S 1 至观察点 P 的连线 论的是某一观察方向上声压幅值随 r 的分布变化，
与SS 1 连线夹角为θ。 所得结论应用将不限于球形声源，因为到达远场范
借用声压反射系数的定义，设声源 S 沿 θ 角方 围，有限尺度声源都具有随 r 反比衰减的球面扩散
向的声压反射系数为 α(θ)，讨论声源 S 在与 U 平行 规律。在此不失一般性，选择圆管发射声源为研究
的轴线上所建立的声场分布，P 点的声压可以用下 对象，通过有限元建模分析加以验证。