Page 162 - 《应用声学》2020年第1期

158 2020 年 1 月

器反射面的传递函数为 H ，入射至次发换能器反
主
0 引言 射面的声信号为P ，有
主
水声材料作为水下声波产生、传播的重要介质， P 主 = x ∗ H , (1)
主
在我国海洋战略不断推进的今天，其重要性日益上
其中，∗ 表示卷积。假设 P 到达次发换能器反射面
主
升，因此，对水声材料声学参数的测量是水声材料研
产生反射声信号P 的传递函数为H ，有
反
反
究的基础和关键。近年来，随着对水声材料的测试
频率逐渐降低，模拟海洋环境条件下的各种水声材 P 反 = P ∗ H . (2)
反
主
料及构件样品的声学性能测量需求越来越迫切。在 为了满足行波场建立的条件，次发换能器发射
试验室条件下，对声学材料小样的声学参数测量常 的声信号 P 应满足 P 反 = −P 的关系，综合以上
次
次
在声管中进行，常见的声管包括脉冲管、行波管、驻 各式可以得到P 为
次
波管 [1] 。
P 次 = −P 反 = −P ∗H 反 = −x ∗ H ∗H . (3)
主
主
反
现有的行波场建立方法分为美国学者提出的
传递矩阵法 [2] 与俄罗斯学者提出的迭代法 [3] 。中船 对式(3)取傅里叶变换，则有
重工第七一五研究所在 “十五” 期间建立了我国第 P (ω) = −x(ω)H (ω)H (ω). (4)
反
次
主
一套行波管声管，采用迭代法进行主动消声，并通过
令输入至次发换能器的抵消声信号为 x ，考
对声速的校准提高了测量效果 [4] 。2010 年，七一五 次
虑信号输入至次发换能器发射声信号 P 的传递函
研究所采用虚拟行波法进一步提高了测量的效果， 次
数为H ，有
据此实现行波管的单频及宽带测量 [5] 。2012 年，中 次
国船舶工业系统工程研究院也建成了行波管，采用 x (ω)H (ω) = −x(ω)H (ω)H (ω). (5)
主
次
次
反
迭代法进行行波场建立，在原来国内行波管的基础
可解得
上提高了管内水听器的相幅一致性、信号采集的同 x(ω)H (ω)H (ω)
反
主
次
步能力及信噪比，采用稀土型纵向换能器作为耐高 x (ω) = H (ω) , (6)
次
静压的低频发射换能器，增强了发射换能器的低频 其中，若令x (ω) = x(ω)A e jωτ 时延 ，并令M(ω)e jφ(ω)
次
声场稳定性。 H (ω)H (ω)
= 主 反 ，可得
现有行波场建立方法尚存在一定问题，传递矩 H (ω)
次
阵法使用时需要对传递矩阵中各参数进行测量计 A opt e jωτ opt ≈ −M(ω) e jφ(ω) , (7)
算，测量精度将影响行波场建立效果；迭代法使用中
其中，M(ω) 和 φ(ω) 分别为建立行波场所需的最佳
需经过较长迭代时间后才可实现行波场建立。为了
幅度谱与相位谱，而A opt 与τ opt 为次发换能器发射
避免现有方法存在的问题，改善行波场建立效果，本
时输入的最佳幅度与最佳时延。为了获得最佳的
文基于中国船舶工业系统工程研究院的行波管，设
A opt 与 τ opt 从而逼近 M(ω) 与 φ(ω) 以提高抵消效
计了一种基于黄金分割搜索算法的行波环境建立
果，本文采用了一维黄金分割搜索算法用于搜索每
方法，从而满足测量材料性能所需的环境，达到提升
一个测量频点的幅值 A 与时延 τ 时延 ，从而实现行波
声管测试性能的目的。
场的建立。
1 算法说明 黄金分割算法通过以固定比率 (即黄金分割
率) 减小搜索的范围，进而可以逼近区间内的极值
行波场建立通过有源吸声的方法，使用次发换 点。在输入搜索时延或者幅值区间 [a, b] 后，由双水
能器发射抵消信号，令次发波形与主发波形经次发 听器法得到此时的次发反射系数r 1 与r 2 ，并在比较
换能器反射面产生的反射波反相抵消，从而实现行 两者的大小后，令其中较大的一方按 0.618 的黄金
波管的“半无限长”特性。 分割倍率缩小区间范围，然后开始新一轮的循环。
若输入至主发换能器的信号为 x，声信号输入 当区间[a, b]的长度低于门限 c 之时，算法搜索完毕，
主发换能器发射，经过待测声学材料到达次发换能 具体流程如图1所示。