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實(shí)驗名稱(chēng)：液固弱耦合結構的聲波匯聚測試 研究方向：聲波是目前人類(lèi)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(huì )在傳播過(guò)程中逐漸衰減，降低了水聲探測的靈敏度，嚴重制約著(zhù)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(gè)空間相對較小、能量密度較高的區域內，當接收換能器布置在該區域時(shí)，檢測到的聲信號大大增強，可以提高水聲探測系統的靈敏度。 近年來(lái)，聲學(xué)超材料的迅速發(fā)展為解決傳統聲波聚焦問(wèn)題提供了新思路，有望實(shí)現成本更低、體積更小、結構更簡(jiǎn)單的聲聚焦[4]。聲學(xué)超材料是一種人工制造的由常規材料組成的復合結構[5-11]，與傳統材料不同，其結構單元尺寸與聲波波長(cháng)相當（聲子晶體）甚至遠小于波長(cháng)（聲超材料），宏觀(guān)上具有常規材料不具備的特殊聲學(xué)性質(zhì)，如負等效密度/模量、漸變折射率、超大折射率等可實(shí)現聲波聚焦的性質(zhì)。 實(shí)驗目的：驗證厚雙板-單縫結構構建液固弱耦合條件，研究水腔狹縫的聲波匯聚特點(diǎn)，分析耦合強弱影響因素并確定雙板-單縫結構的材料與尺寸，實(shí)驗驗證雙板-單縫結構的聲波匯聚效果 測試設備：計聲壓采集模塊、功率信號源(ATG-2031)、水聲換能器、雙板-單縫結果+麥克風(fēng)、數據采集卡 實(shí)驗過(guò)程：實(shí)驗系統框圖如圖2-17所示，上位機產(chǎn)生調制正弦脈沖串信號后發(fā)送到功率放大器，驅動(dòng)水域中的換能器激勵聲場(chǎng)，使用麥克風(fēng)測量雙板-單縫結構的聲壓，再經(jīng)采集卡將數據回傳到上位機進(jìn)行后續處理。將圖2-16(b)中的聲壓采集模塊安裝在結構的狹縫中，麥克風(fēng)布置在狹縫中心處；將換能器與雙板-單縫結構以一定間隔布置，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-單縫結構時(shí)聲壓隨頻率變化的曲線(xiàn)，再利用同一個(gè)聲壓采集模塊測量麥克風(fēng)在相同位置無(wú)雙板-單縫結構時(shí)聲壓隨頻率變化的曲線(xiàn)。分別在水缸（1.5m×1.5m×2m）和水池（30m×27.5m×3m）進(jìn)行實(shí)驗，現場(chǎng)布置如圖2-18(a)、(b)所示。 采用收發(fā)一體的自動(dòng)掃頻程序完成整個(gè)實(shí)驗，流程如圖2-19所示。初始化起始頻率后發(fā)送正弦調制脈沖信號，同時(shí)觸發(fā)采集過(guò)程；經(jīng)過(guò)一個(gè)掃頻時(shí)間間隔后停止采集數據并判斷是否達到掃頻的頻率上限，若達到則整個(gè)程序停止，未達到則將當前頻率增加一個(gè)步長(cháng)，重新完成信號發(fā)送與采集，直到達到掃頻的上限為止。 實(shí)驗結果：1)水缸實(shí)驗分析水缸實(shí)驗時(shí)，雙板-單縫結構與聲源間隔為0.6m。將采集所得時(shí)域信號通過(guò)FFT轉化為電壓（聲壓）隨頻率變化的曲線(xiàn)，如圖2-20(a)所示，為無(wú)該結構時(shí)同一麥克風(fēng)2次測量所得曲線(xiàn)�？芍�10k-12kHz范圍內的電壓-頻率曲線(xiàn)一致性較好；12k-20kHz范圍內的曲線(xiàn)有較大差異。圖2-20(b)為有雙板-單縫結構時(shí)用圖2-20(a)中麥克風(fēng)測得的電壓隨頻率變化的曲線(xiàn)，與圖2-20(a)中無(wú)該結構時(shí)的曲線(xiàn)形狀相似，無(wú)明顯峰值。 分別將不同條件下測得的2次數據取平均，得到圖2-21(a)所示曲線(xiàn)：有雙板-單縫結構的曲線(xiàn)與無(wú)該結構時(shí)的曲線(xiàn)相差不大，無(wú)法觀(guān)察到明顯的聲波匯聚放大。將圖2-21(a)中有雙板-單縫結構的電壓與無(wú)該結構時(shí)的電壓做比值，得到放大倍數隨頻率變化的曲線(xiàn)，如圖2-21(b)所示�？芍糯蟊稊稻∮�2.5且峰值較多。由于信號的絕對值較小，放大倍數因測量誤差引起的波動(dòng)可達到2倍以上，聲波匯聚或實(shí)驗測量誤差均能引起圖2-21(b)中的峰值出現，在水缸中無(wú)法驗證雙板-單縫結構的聲波匯聚。 分析原因可知：出現上述現象是因為水缸內聲波反射嚴重，水缸內的聲場(chǎng)分布極不均勻，麥克風(fēng)位置的微小偏差會(huì )造成所測信號產(chǎn)生較大變化。本實(shí)驗需要測量有無(wú)雙板-單縫結構時(shí)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(huì )出現偏差，測得的信號本身會(huì )出現較大變化，在此基礎上計算得到的放大倍數失去意義，實(shí)驗需要在寬闊水域中進(jìn)行。 2)水池實(shí)驗分析 水池實(shí)驗時(shí)，雙板-單縫結構與聲源的間隔為1m。4次測量取平均后得到了電壓隨頻率變化的曲線(xiàn)，如圖2-22所示。 分析圖2-22可知，加入雙板-單縫結構后，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(shí)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(gè)不銹鋼板上設置有固定支撐結構和通孔；這都對雙板-單縫結構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功率信號源指標參數 本文素材由西安安泰電子整理發(fā)布，如果想了解更多，請持續關(guān)注安泰電子。Aigtek是國內專(zhuān)業(yè)從事測量?jì)x器研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售的高科技企業(yè)，一直專(zhuān)注于功率放大器、功率信號源、計量校準源等測試儀器產(chǎn)品的研發(fā)與制造。ATG-3090功率信號源https://www.aigtek.com/products/1019.html |
