[發明專利]壓電水聲換能器聲輻射模態測量方法及系統

有效

• 申請號: 201310676046.0
• 申請日: 2013-12-11
• 公開（公告）號: CN103743469A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 王鐵軍;賈坤
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

技術領域

本發明屬于壓電水聲換能器技術領域，具體涉及壓電水聲換能器聲輻射模態測量方法及系統。

背景技術

隨著我國海洋戰略的實施，在海洋資源探測開發的技術競爭日趨激烈，圍繞海洋資源的軍事對抗不斷蔓延的背景下，具有低頻、大功率、深水、小尺寸等特性的水聲換能器這一聲納技術的基石受到了越來越多的重視。傳統結構的水聲換能器受到設計理論上的限制，同時實現上述技術指標較為困難，為此，基于新機理、新材料、新工藝設的水聲換能器成為了發展方向。而壓電材料具有較高的電聲效率，材料來源廣泛，壓電式水聲換能器的研究和應用最為廣泛。

壓電水聲換能器作為一種典型聲源將結構振動與聲輻射緊密結合，關于其研究大多借助于力學領域的模態分析方法，不僅在振動空間內考察結構位移、振速，還試圖直接利用振動模態函數來表征換能器的聲輻射性質，把結構振動的分布作為邊值問題來計算聲場，忽略了輻射面的幾何形狀、聲學環境等與聲輻射有關的因素，更為致命的是由于結構模態間的耦合的存在，結構模態函數并不是換能器的輻射聲場的一組基函數，表面振動的主導振動模態頻率在結構聲輻射中并不一定占主導地位，通過振動模態來研究結構振動的聲輻射變得極為復雜。對于結構、激勵力和聲輻射環境組成的一個振動聲輻射系統,振動與聲輻射有密切關系，因此，從聲輻射模態這一全新視角研究壓電水聲換能器有重要意義。

然而關于聲輻射模態的研究才剛起步，理論研究僅限于具有簡單規則形狀的結構，對于簡單的二維結構或三維對稱結構，可使用解析方法獲得其聲輻射模態；對于三維空間結構的輻射聲場還需要借助于有限元和邊界元等數值方法來解決，其聲輻射模態的理論研究更為繁瑣；迄今為止，關于水聲壓電換能器聲輻射模態測量還是空白。

發明內容

為了解決上述現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供壓電水聲換能器聲輻射模態測量方法及系統，本發明的方法和系統突破當前復雜水下結構聲輻射模態只能數值求解這一限制，為壓電水聲換能器的研究提供一種新的思路，也為水聲壓電換能器結構優化提供依據；基于聯合近場聲全息的壓電水聲換能器聲輻射模態測量系統采用基于虛擬儀器的體系結構和模塊化設計策略，可在確保一定的硬件資源下，能夠通過軟件配置和升級，柔性調整系統的應用范圍和對象。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

電水聲換能器聲輻射模態測量方法，包括以下步驟：

步驟1：采用基于聲壓和振速的聯合近場聲全息重構換能器輻射面的振速及輻射聲場信息；

步驟:2：以換能器輻射面聲壓和振速的重建數據為基礎，通過單元輻射器法求取近場聲輻射算子矩陣；

步驟:3：使用近場聲輻射算子矩陣及換能器輻射面振速將換能器的輻射聲功率表示為二次型矩陣，然后利用矩陣的正定和共扼性對二次型矩陣進行特征值分解最終獲得壓電水聲換能器的聲輻射模態。

步驟1所述的采用基于聲壓和振速的聯合近場聲全息重構換能器輻射面的振速及輻射聲場信息，具體包括如下步驟：

①測量換能器半輻射空間內包含所有輻射方向的半球形全息面上的聲壓及法向振速；

②獲取半球形全息面上各測量點聲壓的相位信息；

③利用半球形全息面上聲壓和法向振速的疊加原理以及波數域的歐拉公式,通過聲場分離算法從由①、②兩步驟獲取的聲場復聲壓及振速信息中萃取出入射聲場對應的分量，減小可能存在的反射帶來的重建誤差；

④以步驟③獲得的入射聲場的聲壓及振速信息為基礎，確定換能器輻射面內部的等效源強；

⑤根據等效源強在聲場中所占的權重關系來重建換能器輻射面振速及聲場的壓。。

步驟①所述的測量換能器半輻射空間內包含所有輻射方向的半球形全息面上的聲壓及法向振速，具體方法為：

三維運動平臺帶動矢量水聽器沿包含換能器所有輻射方向的半球形全息面逐點掃描，同時測量聲壓及法向振速；為滿足不失真條件至少需要4(N+1)²個采樣點，使用等角度采樣策略，在球坐標系的θ和φ方向分別取2(N+1)個采樣點，其中N需滿足