功率信号源在水声探测超材料液固耦合特性研究中的应用

实验名称：液固弱耦合结构的声波汇聚测试

研究方向：声波是目前人类能操纵的、可以在海洋中有效传递能量或信息的一种重要载体，因此水声探测技术在海洋资源勘探、海底地形测绘等领域发挥了重要作用。然而，声波的能量会在传播过程中逐渐衰减，降低了水声探测的灵敏度，严重制约着海洋资源勘探、海底地形测绘等的发展。声波聚焦技术采用不同方法聚焦声波，使声波集中在一个空间相对较小、能量密度较高的区域内，当接收换能器布置在该区域时，检测到的声信号大大增强，可以提高水声探测系统的灵敏度。

近年来，声学超材料的迅速发展为解决传统声波聚焦问题提供了新思路，有望实现成本更低、体积更小、结构更简单的声聚焦[4]。声学超材料是一种人工制造的由常规材料组成的复合结构[5-11]，与传统材料不同，其结构单元尺寸与声波波长相当（声子晶体）甚至远小于波长（声超材料），宏观上具有常规材料不具备的特殊声学性质，如负等效密度/模量、渐变折射率、超大折射率等可实现声波聚焦的性质。

实验目的：验证厚双板-单缝结构构建液固弱耦合条件，研究水腔狭缝的声波汇聚特点，分析耦合强弱影响因素并确定双板-单缝结构的材料与尺寸，实验验证双板-单缝结构的声波汇聚效果

测试设备：计声压采集模块、功率信号源(ATG-2031)、水声换能器、双板-单缝结果+麦克风、数据采集卡

实验过程：实验系统框图如图2-17所示，上位机产生调制正弦脉冲串信号后发送到功率放大器，驱动水域中的换能器激励声场，使用麦克风测量双板-单缝结构的声压，再经采集卡将数据回传到上位机进行后续处理。将图2-16(b)中的声压采集模块安装在结构的狭缝中，麦克风布置在狭缝中心处；将换能器与双板-单缝结构以一定间隔布置，换能器发声方向正对圆板板面，如图2-18(a)左图所示。测量有双板-单缝结构时声压随频率变化的曲线，再利用同一个声压采集模块测量麦克风在相同位置无双板-单缝结构时声压随频率变化的曲线。分别在水缸（1.5m×1.5m×2m）和水池（30m×27.5m×3m）进行实验，现场布置如图2-18(a)、(b)所示。

采用收发一体的自动扫频程序完成整个实验，流程如图2-19所示。初始化起始频率后发送正弦调制脉冲信号，同时触发采集过程；经过一个扫频时间间隔后停止采集数据并判断是否达到扫频的频率上限，若达到则整个程序停止，未达到则将当前频率增加一个步长，重新完成信号发送与采集，直到达到扫频的上限为止。

实验结果：1)水缸实验分析水缸实验时，双板-单缝结构与声源间隔为0.6m。将采集所得时域信号通过FFT转化为电压（声压）随频率变化的曲线，如图2-20(a)所示，为无该结构时同一麦克风2次测量所得曲线。可知10k-12kHz范围内的电压-频率曲线一致性较好；12k-20kHz范围内的曲线有较大差异。图2-20(b)为有双板-单缝结构时用图2-20(a)中麦克风测得的电压随频率变化的曲线，与图2-20(a)中无该结构时的曲线形状相似，无明显峰值。

分别将不同条件下测得的2次数据取平均，得到图2-21(a)所示曲线：有双板-单缝结构的曲线与无该结构时的曲线相差不大，无法观察到明显的声波汇聚放大。将图2-21(a)中有双板-单缝结构的电压与无该结构时的电压做比值，得到放大倍数随频率变化的曲线，如图2-21(b)所示。可知放大倍数均小于2.5且峰值较多。由于信号的绝对值较小，放大倍数因测量误差引起的波动可达到2倍以上，声波汇聚或实验测量误差均能引起图2-21(b)中的峰值出现，在水缸中无法验证双板-单缝结构的声波汇聚。

分析原因可知：出现上述现象是因为水缸内声波反射严重，水缸内的声场分布极不均匀，麦克风位置的微小偏差会造成所测信号产生较大变化。本实验需要测量有无双板-单缝结构时的电压（声压）信号，不可避免的需要两次布置麦克风，这使得两种情况下麦克风的位置必然会出现偏差，测得的信号本身会出现较大变化，在此基础上计算得到的放大倍数失去意义，实验需要在宽阔水域中进行。

2)水池实验分析

水池实验时，双板-单缝结构与声源的间隔为1m。4次测量取平均后得到了电压随频率变化的曲线，如图2-22所示。

分析图2-22可知，加入双板-单缝结构后，狭缝中心的信号在13.06kHz处明显变强，声波在该频率下得到了汇聚放大。利用COMSOL仿真得到的汇聚频率为14.14kHz，与实验得出的13.06kHz有一定偏差。这是因为加工出的不锈钢圆板板面不光滑，两个不锈钢板上设置有固定支撑结构和通孔；这都对双板-单缝结构汇聚声波的频率造成了一定的影响。

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