功率放大器在水下声学器件定向发射性能实验的应用

实验名称：水下声学器件定向发射性能实验

研究方向：声学超材料、五模超材料、定向发射

实验目的：验证水声环境下基于五模材料填充的异形龙伯透镜器件的定向发射性能。

测试设备：信号发生器，ATA-214功率放大器，声源换能器、水听器、数据信号采集系统等。

实验过程：基于声学发射和接收的互异性，本次实验选择对定向接收性能进行实验。实验测量系统布置方面，声学器件以及测量器材布置如图一所示，待测的水下声学器件放置于水深350mm处，器件左侧同一深度上放置有换能器，通过连接信号发生器以及ATA-214功率放大器对扬声器的发射信号进行控制。器件后方同一深度上放置悬挂一水听器，由步进电机进行控制，使水听器在水池宽度方向进行横移，水听器同数据信号采集系统连接，水听器将接收到的声信号转化为电信号，最终在电脑中利用数据分析软件进行采集和分析。

图一水下实验布置示意图

图二实际水下实验布置图

实验装置本次器件定向发射实验是在位于华中科技大学船舶与海洋工程学院的结构实验室内的水池进行的，实验室内环境噪声较低。该实验需要满足近似平面波条件和稳态散射条件。本次实验的脉冲正弦波频率为40kHz，波长为37.5mm，约为水池深度的百分之五，基本满足近似平面波条件。稳态散射条件方面，本次实验采用脉冲正弦波对模型进行发射，并在采集到的回波中分析滤波后的波形部分。水下声学器件模型最长处为100mm，最宽处为114mm，底边宽度为62mm，高度为10mm，上下放置有两片厚度为1mm的薄片。该器件所用的材料为光敏树脂，其密度为1140kgm-3，杨氏模量为2.2GPa，泊松比为0.4。超材料几何参数方面，晶胞最大长度a=2mm，空腔的宽度d=0.201mm，相邻空腔的角宽度ɑ=60°。

图三水下声学器件示意图

实验结果：针对水下环境异形龙伯透镜器件的声波接收实验，对测量数据进行处理，得到20kHz至40kHz频率范围内的频域信号。分别对23kHz、27kHz、31kHz以及34kHz四个频率下，器件定向接收的声压增幅曲线进行了绘图，并同相应的有限元仿真结果进行了对比，如图四至图七所示。分析曲线可以发现，实验和仿真结果的曲线趋势较为接近，中部测点（器件底边中部）处具有峰值，部分测点处实验和仿真结果在数值上有一定差异。波峰半能量宽度方面，实验值略大于仿真值，23kHz附近实验值较大，34kHz附近实验值同仿真值对应较好。总体上分析，实际器件在23kHz至34kHz范围内实现了对平面波的汇聚，根据声学发射和接收的互异性，器件声学定向发射的特性通过该实验得到了间接证明，在实验上证明了该水下定向发射器件设计的有效性。

放大器在该实验中发挥的效能：精准可控功率放大器