實驗名稱：液固弱耦合結(jié)構(gòu)的聲波匯聚測試

研究方向：聲波是目前人類能操縱的、可以在海洋中有效傳遞能量或信息的一種重要載體，因此水聲探測技術(shù)在海洋資源勘探、海底地形測繪等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。然而，聲波的能量會在傳播過程中逐漸衰減，降低了水聲探測的靈敏度，嚴(yán)重制約著海洋資源勘探、海底地形測繪等的發(fā)展。聲波聚焦技術(shù)采用不同方法聚焦聲波，使聲波集中在一個空間相對較小、能量密度較高的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)接收換能器布置在該區(qū)域時，檢測到的聲信號大大增強，可以提高水聲探測系統(tǒng)的靈敏度。

近年來，聲學(xué)超材料的迅速發(fā)展為解決傳統(tǒng)聲波聚焦問題提供了新思路，有望實現(xiàn)成本更低、體積更小、結(jié)構(gòu)更簡單的聲聚焦[4]。聲學(xué)超材料是一種人工制造的由常規(guī)材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)[5-11]，與傳統(tǒng)材料不同，其結(jié)構(gòu)單元尺寸與聲波波長相當(dāng)（聲子晶體）甚至遠(yuǎn)小于波長（聲超材料），宏觀上具有常規(guī)材料不具備的特殊聲學(xué)性質(zhì)，如負(fù)等效密度/模量、漸變折射率、超大折射率等可實現(xiàn)聲波聚焦的性質(zhì)。

實驗?zāi)康模候炞C厚雙板-單縫結(jié)構(gòu)構(gòu)建液固弱耦合條件，研究水腔狹縫的聲波匯聚特點，分析耦合強弱影響因素并確定雙板-單縫結(jié)構(gòu)的材料與尺寸，實驗驗證雙板-單縫結(jié)構(gòu)的聲波匯聚效果

測試設(shè)備：計聲壓采集模塊、功率信號源(ATG-2031)、水聲換能器、雙板-單縫結(jié)果+麥克風(fēng)、數(shù)據(jù)采集卡

實驗過程：實驗系統(tǒng)框圖如圖2-17所示，上位機(jī)產(chǎn)生調(diào)制正弦脈沖串信號后發(fā)送到功率放大器，驅(qū)動水域中的換能器激勵聲場，使用麥克風(fēng)測量雙板-單縫結(jié)構(gòu)的聲壓，再經(jīng)采集卡將數(shù)據(jù)回傳到上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。將圖2-16(b)中的聲壓采集模塊安裝在結(jié)構(gòu)的狹縫中，麥克風(fēng)布置在狹縫中心處；將換能器與雙板-單縫結(jié)構(gòu)以一定間隔布置，換能器發(fā)聲方向正對圓板板面，如圖2-18(a)左圖所示。測量有雙板-單縫結(jié)構(gòu)時聲壓隨頻率變化的曲線，再利用同一個聲壓采集模塊測量麥克風(fēng)在相同位置無雙板-單縫結(jié)構(gòu)時聲壓隨頻率變化的曲線。分別在水缸（1.5m×1.5m×2m）和水池（30m×27.5m×3m）進(jìn)行實驗，現(xiàn)場布置如圖2-18(a)、(b)所示。

采用收發(fā)一體的自動掃頻程序完成整個實驗，流程如圖2-19所示。初始化起始頻率后發(fā)送正弦調(diào)制脈沖信號，同時觸發(fā)采集過程；經(jīng)過一個掃頻時間間隔后停止采集數(shù)據(jù)并判斷是否達(dá)到掃頻的頻率上限，若達(dá)到則整個程序停止，未達(dá)到則將當(dāng)前頻率增加一個步長，重新完成信號發(fā)送與采集，直到達(dá)到掃頻的上限為止。

實驗結(jié)果：1)水缸實驗分析水缸實驗時，雙板-單縫結(jié)構(gòu)與聲源間隔為0.6m。將采集所得時域信號通過FFT轉(zhuǎn)化為電壓（聲壓）隨頻率變化的曲線，如圖2-20(a)所示，為無該結(jié)構(gòu)時同一麥克風(fēng)2次測量所得曲線?？芍?0k-12kHz范圍內(nèi)的電壓-頻率曲線一致性較好；12k-20kHz范圍內(nèi)的曲線有較大差異。圖2-20(b)為有雙板-單縫結(jié)構(gòu)時用圖2-20(a)中麥克風(fēng)測得的電壓隨頻率變化的曲線，與圖2-20(a)中無該結(jié)構(gòu)時的曲線形狀相似，無明顯峰值。

分別將不同條件下測得的2次數(shù)據(jù)取平均，得到圖2-21(a)所示曲線：有雙板-單縫結(jié)構(gòu)的曲線與無該結(jié)構(gòu)時的曲線相差不大，無法觀察到明顯的聲波匯聚放大。將圖2-21(a)中有雙板-單縫結(jié)構(gòu)的電壓與無該結(jié)構(gòu)時的電壓做比值，得到放大倍數(shù)隨頻率變化的曲線，如圖2-21(b)所示?？芍糯蟊稊?shù)均小于2.5且峰值較多。由于信號的絕對值較小，放大倍數(shù)因測量誤差引起的波動可達(dá)到2倍以上，聲波匯聚或?qū)嶒灉y量誤差均能引起圖2-21(b)中的峰值出現(xiàn)，在水缸中無法驗證雙板-單縫結(jié)構(gòu)的聲波匯聚。

分析原因可知：出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因為水缸內(nèi)聲波反射嚴(yán)重，水缸內(nèi)的聲場分布極不均勻，麥克風(fēng)位置的微小偏差會造成所測信號產(chǎn)生較大變化。本實驗需要測量有無雙板-單縫結(jié)構(gòu)時的電壓（聲壓）信號，不可避免的需要兩次布置麥克風(fēng)，這使得兩種情況下麥克風(fēng)的位置必然會出現(xiàn)偏差，測得的信號本身會出現(xiàn)較大變化，在此基礎(chǔ)上計算得到的放大倍數(shù)失去意義，實驗需要在寬闊水域中進(jìn)行。

2)水池實驗分析

水池實驗時，雙板-單縫結(jié)構(gòu)與聲源的間隔為1m。4次測量取平均后得到了電壓隨頻率變化的曲線，如圖2-22所示。

分析圖2-22可知，加入雙板-單縫結(jié)構(gòu)后，狹縫中心的信號在13.06kHz處明顯變強，聲波在該頻率下得到了匯聚放大。利用COMSOL仿真得到的匯聚頻率為14.14kHz，與實驗得出的13.06kHz有一定偏差。這是因為加工出的不銹鋼圓板板面不光滑，兩個不銹鋼板上設(shè)置有固定支撐結(jié)構(gòu)和通孔；這都對雙板-單縫結(jié)構(gòu)匯聚聲波的頻率造成了一定的影響。

功率信號源推薦：ATG-3090

圖：ATG-3090功率信號源指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇