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摘要 双层钛合金导流罩平板模型的内部加强筋结构使得水下透射声场变得复杂，给其声性能的评估带了不少困难。为了合理有效地评价双层导流罩平板模型的低频斜入射透声性能，文章提出了一种低频宽带测试技术。在测试实例中，应用宽带压缩脉冲叠加法和宽带指向性声源，通过透射声场特性分析，得到了8-30 kHz内频段不同板间距、不同入射角度下，双层导流罩平板试样的透声性能曲线。结果曲线呈现出规律变化。
关键词 钛合金;导流罩：斜入射;透声性能;低频宽带信号;性能测试
装有声呐设备的舰艇球鼻艏导流罩是水下反潜作战的探测窗口。导流罩设计时，需根据舰船艏部线型和受力特点、透声区域和频段要求，合理设计其板格大小和加强筋布置[1]。当前，导流罩一般采用全衍架式构架，外壳用水平和垂直加强筋加强。球鼻艏导流罩材料的选择先后有不锈钢、玻璃钢和钛合金。俄罗斯以及欧洲一些国家的球鼻艏导流罩采用了双层钛合金结构作为透声窗，透声窗形状较为规则，球鼻艏导流罩的底部采用规格尺寸较大的高强度钢进行设计，我国对双层金属材料的透声性能研究也开始起步[2-4]。
双层金属材料导流罩不仅强度和刚度比单壳结构高，而且，在内外两层壳板间能形成声腔，通过合理设计板厚和板间距，控制双层板的共振频率，可调整导流罩的透声性能。新型双层金属导流罩在完成前期理论计算和数值仿真后，一般都会制成平板模型试样，在实验室消声水池中对其各个入射方向的透射声性能进行初步评估。导流罩平板模型采用导流罩的实际结构形式，其内部布有纵横交错的加强筋和肋骨。加强筋和双层板间声腔结构使得经双层导流罩的透射声场变得异常复杂。常规的正弦脉冲方法测试大面积平板试样透声性能的方法已不再适用。
本文针对典型的双层钛合金导流罩平板模型的特殊结构，提出了一种评估其低频斜入射透声性能的测试技术。应用宽带压缩脉冲叠加法和宽带指向性声源，分析透射声场特性，最终给出测试频率8-30 kHz，最大斜入射角度到45°，导流罩平板试样的斜入射透声性能曲线。
1 模型结构与声学测试参数分析
当前，球鼻艏声呐的工作频率一般在几千赫兹，声信号会从各个角度入射到声呐导流罩上。针对声呐导流罩的应用环境，研制新型双层钛合金导流罩时，需要研究钛合金板厚、板间距与声学性能随频率及入射角度的变化和对应关系。由此，制作了如图1所示的双层钛合金导流罩平板模型试样。样品由双层钛合金平板构成，前层平板尺寸为1 500mm×1 260 mm×4mm，背面配置结构框架及螺栓，后层钛合金平板由9块500 mmX 420 mmX4 mm小平板组成，用螺栓固定到结构框架上，通过调整螺栓可以调整两块平板的间距。平板间距可调范围为20-40 mm。
衡量平板模型试样透声性能的声学参数有声压透射系数T或插入损失IL。根据文献[5]的定义，声压透射系数为：给定频率和环境条件下，水媒质中平面声波入射到无限大板状样品表面，其透射波声压与入射波声压之比。实际测试时，在边缘效应可忽略的情况下，有限大样品等效为无限大样品。插入损失IL与声压透射系数T有如下关系：
对于图1所示的模型试样结构，两种情况下边缘效应可以忽略：测试用的脉冲信号足够短，可以将模型边缘散射信号在时域上进行分离;选用的发射换能器为尖锐指向性换能器，主波束能够打到主体结构上，而入射到模型边缘的信号很小，或者边缘散射的信号很弱。文献[5]指出，采用正弦脉冲法测量时，样品在声轴垂直平面上投影最小长度l均应大于测试频率水中波长的5倍。图1所示双层导流罩平板模型试样在声波45°入射时，最小投影长度为0.89 m。常规简单结构试样，采用正弦脉冲法，最低可测频率为8.5 kHz。而对于结构复杂的双层钛合金试样，常规单频正弦脉冲测试技术能准确测试的最低频率远则高于8.5 kHz。图1所示导流罩平板模型的应用频段为8-30 kHz，最大斜入射角度45°，单频脉冲测试技术已不再适用。
2 低频宽带斜入射测试的软硬件实现
2.1 指向性换能器
测试选用的指向性换能器基阵。辐射面直径φ575 mm，由21个纵向复合振子换能器组成的，为了抑制后辐射，采用轻质隔声后挡。图2为其发射电压响应级曲线，从图中可以看出，换能器工作谐振频率为19 kHz，谐振频率以下响应级随频率线性变化。图3为频率在5.0 kHz、10.0 kHz时的指向性图，θ3 dB分别等于30.3°、15.1°。它们的旁瓣级均低于-16 dB。该型换能器能满足8-30 kHz频段的测试需求。
2.2 脉冲压缩测试技术
单频脉冲测试不再适用在自由场中低频、尺寸有限的材料构件的测试。因为用于测试的低频正弦脉冲，信号包含几个稳态周期，脉冲信号脉宽都较长，会造成有用信号与干扰信号的时域混叠。不能合理提取有效信号，也就得不到准确的测量结果。通过压缩脉冲宽度可以解决这个问题[6]，并且可以达到宽带测试的目的。为了产生8-30 kHz频段的宽带压缩脉冲，用2 μs（1样点）宽度的方波脉冲作为初始脉冲信号。第一步，计算测量系统传递函数，任意信号发生器在计算机控制下输出2 us方波信号到功率放大器，驱动换能器发出脉冲声信号，输出波形如图4所示，求出系统响应，如图5所示。第二步，将2 μs宽方波作为希望输出的信号，把解出的反滤波因子数据送入任意信号发生器，经功放驱动换能器发射，图6為计算得到的理论上的输出压缩波形，图7为对其作DFT得到的频谱，采样率fs=500 kHz，采样长度N=1 000，频率分辨率为△f=0.5kHz。对比可见，未作压缩处理的方波输出信号频谱的-6 dB带宽很窄，能量集中在谐振频率点附近。作压缩处理的方波输出信号频谱的-6 dB带宽明显扩展，尤其是相对提高了我们需要的低频响应。压缩后脉冲信号宽度约为0.1 ms。
3 双层导流罩平板模型测试 对图1所示双层导流罩平板模型的测试需求为：8-30 kHz频段，双层板间距分别为20 mm、22mm、25 mm、 27 mm、 30 mm、 32 mm、 35 mm、40 mm时，声波入射角度-45 0-450范围内，模型的声压透射系数（插入损失）。
3.1 测量原理及水下声场布放
图8为双层导流罩平板模型透声性能测试装置图，测试在自由场中进行。
测量原理为：先测量未放入样品时，水听器接收的时域信号为参考信号pi（t）;在水听器和发射器之间放入样品后，调整声入射角度θ，采集水听器信号为透射信号pt，（0，f）;根据公式（2）计算试样θ角度入射时样品透射系数T（θ，f），电动控制旋转样品调整入射角度，直至测完全部入射角度透射系数，获得样品的斜入射诱声件能分布。
水下声场布置时需要满足自由场远场条件[7]。样品与水听器应布放于发射器的远场位置，发射换能器的辐射面直径为φ575 mm，水听器选择B&K8103，计算30 kHz的远场距离，将样品布放在距离发射换能器1.75 m位置。
声波透过样品，对于不同材料、结构及尺寸的试样，其背面形成的透射声场分布也各不相同。此时的声场，可看成透过样品，由样品上的许多的面元发出的声波互相叠加、干涉的结果，形成具有极大、极小的周期性起伏的声场。图1所示模型，加强筋结构和螺栓的引入使透声窗的透射声场变得复杂，存在结构近场区域。声学测试应在样品结构单元透射声场远场进行。可通过在声轴线上测量轴向声压与距离的变化曲线，确定远场位置。实验确定30 kHz时样品的结构远场位于距样品1m处。利用反滤波压缩脉冲信号进行低于30 kHz宽带测试时，须将水听器布置在声轴线上样品背面1m处。
3.2 时间窗选择
复杂结构的样品透声场的信号来源繁多，需要具体问题具体分析，合理地选择时间窗，选取有用的信号，摒弃干扰信号，才能获取准确的测量结果。图1所示试样在声波垂直入射时，透射声场中各信号来源如图9所示。各信号行走路径分别为：①[样品一次透射信号]、②『样品内框架散射信号]、③[样品二次透射信号]、④『样品边缘衍射信号]、⑤[水面、池底反射信号]、⑥[}也壁反射信号]。因样品的三次以上的透射信号已经很小，此处忽略不计。
取发射器与样品间距/=1.75 m，样品与水听器间距d=l m，单层板厚4 mm，声轴线距水面和池底都为2m，发射器与水听器距离中心至池壁距离2.75 m，不同的板间距情况下，各信号的初始时延见表1。时域波形信号示意图见图10，不同信号的初始时延分布用相应的数字箭头表示。
显然，透射声场信号中：①～③为有用信号，④～⑥为干扰信号。水下声场的合理布置能使有用信号和干扰信号有效分离，也易于时间窗的选取。本文选择图10中的A、B之间的时间窗。
如图6，初始压缩脉冲信号宽度约为0.1 ms。利用该信号，有用信号和干扰信号在时域上是分离的。当声波斜入射时，各类信号脉冲会产生不同程度的时域拓宽，各信号的初始时延也会有所改变，但干扰信号也不会混叠到有用信号中，并不影响时间窗口的选取。此外，可以通过一次信号采集，实现全频段的测试。若采用单频正弦脉冲信号，一般要求脉冲信号至少包含两个稳态波周期，再加上换能器的瞬态效应，有用信号和干扰信号在时域上会叠到一起。如10 kHz，脉冲宽度至少为0.3 ms，信号③未结束时，信号④已到达，③④两个信号叠到了一起。而当声波斜入射时，混叠效应将会更加明显。
3.3 测试结果
利用上述测试方法和技术，对图1所示的双层钛合金导流罩平板模型在8mX5m×5m的消声水池中进行测试。图11为声波垂直入射时，选择不同的双层板间距，模型的插入损失测试结果图。因为水层声腔厚度的差异，使得插入损失的频率峰谷值规律性变化。图12为固定双层板间距32 mm，声波斜入射（从- 45°到垂直入射）时，模型的插入损失变化曲线图。随着斜入射角度的增大，因双层板声腔结构引入的插入损失峰谷值向高频移动。
4 结论
本文用宽带换能器和反滤波压缩脉冲测试技术，通过合理的水下声场布置和时间窗选取，解决了双层钛合金导流罩平板模型低频段和大角度测试难度问题。测试得出模型试样低频宽带范围内插入损失的频率谱和角度谱。使用的测试技术和方法实现了低频、宽带、大角度、高效率、复杂试样的水声性能测试，可作为水声自由场环境下，常规大样测试技术的一个补充。
参考文献：
[1]邵开文，马运义舰船技术与设计概论[M]北京：国防工业出版社，2005.
[2]孙好广，李水.水中双层金属板的透声性能分析[J]声学与电子工程，2002，（1）： 34-36.
[3]吴荣宝双壳钛合金球鼻首结构的技术研讨[J]舰船工程研究，2001，（1）： 17-19
[4]李源源舰艇新型球鼻首的結构设计探索[J]舰船工程2007，（3）： 58-60
[5]李水，罗马奇，赵洪，易燕，等声学水声材料样品插入损失、回声降低和吸声系数的测量方法：GB/T 14369-2011中国标准出版社，2011
[6]李水水卢隐身材性能的测量方法研究[D]哈尔滨工程大学，1998
[7]陈毅，赵涵，袁文俊水下电声参数测量[M].兵器工业出版社，2017.
关键词 钛合金;导流罩：斜入射;透声性能;低频宽带信号;性能测试
装有声呐设备的舰艇球鼻艏导流罩是水下反潜作战的探测窗口。导流罩设计时，需根据舰船艏部线型和受力特点、透声区域和频段要求，合理设计其板格大小和加强筋布置[1]。当前，导流罩一般采用全衍架式构架，外壳用水平和垂直加强筋加强。球鼻艏导流罩材料的选择先后有不锈钢、玻璃钢和钛合金。俄罗斯以及欧洲一些国家的球鼻艏导流罩采用了双层钛合金结构作为透声窗，透声窗形状较为规则，球鼻艏导流罩的底部采用规格尺寸较大的高强度钢进行设计，我国对双层金属材料的透声性能研究也开始起步[2-4]。
双层金属材料导流罩不仅强度和刚度比单壳结构高，而且，在内外两层壳板间能形成声腔，通过合理设计板厚和板间距，控制双层板的共振频率，可调整导流罩的透声性能。新型双层金属导流罩在完成前期理论计算和数值仿真后，一般都会制成平板模型试样，在实验室消声水池中对其各个入射方向的透射声性能进行初步评估。导流罩平板模型采用导流罩的实际结构形式，其内部布有纵横交错的加强筋和肋骨。加强筋和双层板间声腔结构使得经双层导流罩的透射声场变得异常复杂。常规的正弦脉冲方法测试大面积平板试样透声性能的方法已不再适用。
本文针对典型的双层钛合金导流罩平板模型的特殊结构，提出了一种评估其低频斜入射透声性能的测试技术。应用宽带压缩脉冲叠加法和宽带指向性声源，分析透射声场特性，最终给出测试频率8-30 kHz，最大斜入射角度到45°，导流罩平板试样的斜入射透声性能曲线。
1 模型结构与声学测试参数分析
当前，球鼻艏声呐的工作频率一般在几千赫兹，声信号会从各个角度入射到声呐导流罩上。针对声呐导流罩的应用环境，研制新型双层钛合金导流罩时，需要研究钛合金板厚、板间距与声学性能随频率及入射角度的变化和对应关系。由此，制作了如图1所示的双层钛合金导流罩平板模型试样。样品由双层钛合金平板构成，前层平板尺寸为1 500mm×1 260 mm×4mm，背面配置结构框架及螺栓，后层钛合金平板由9块500 mmX 420 mmX4 mm小平板组成，用螺栓固定到结构框架上，通过调整螺栓可以调整两块平板的间距。平板间距可调范围为20-40 mm。
衡量平板模型试样透声性能的声学参数有声压透射系数T或插入损失IL。根据文献[5]的定义，声压透射系数为：给定频率和环境条件下，水媒质中平面声波入射到无限大板状样品表面，其透射波声压与入射波声压之比。实际测试时，在边缘效应可忽略的情况下，有限大样品等效为无限大样品。插入损失IL与声压透射系数T有如下关系：
对于图1所示的模型试样结构，两种情况下边缘效应可以忽略：测试用的脉冲信号足够短，可以将模型边缘散射信号在时域上进行分离;选用的发射换能器为尖锐指向性换能器，主波束能够打到主体结构上，而入射到模型边缘的信号很小，或者边缘散射的信号很弱。文献[5]指出，采用正弦脉冲法测量时，样品在声轴垂直平面上投影最小长度l均应大于测试频率水中波长的5倍。图1所示双层导流罩平板模型试样在声波45°入射时，最小投影长度为0.89 m。常规简单结构试样，采用正弦脉冲法，最低可测频率为8.5 kHz。而对于结构复杂的双层钛合金试样，常规单频正弦脉冲测试技术能准确测试的最低频率远则高于8.5 kHz。图1所示导流罩平板模型的应用频段为8-30 kHz，最大斜入射角度45°，单频脉冲测试技术已不再适用。
2 低频宽带斜入射测试的软硬件实现
2.1 指向性换能器
测试选用的指向性换能器基阵。辐射面直径φ575 mm，由21个纵向复合振子换能器组成的，为了抑制后辐射，采用轻质隔声后挡。图2为其发射电压响应级曲线，从图中可以看出，换能器工作谐振频率为19 kHz，谐振频率以下响应级随频率线性变化。图3为频率在5.0 kHz、10.0 kHz时的指向性图，θ3 dB分别等于30.3°、15.1°。它们的旁瓣级均低于-16 dB。该型换能器能满足8-30 kHz频段的测试需求。
2.2 脉冲压缩测试技术
单频脉冲测试不再适用在自由场中低频、尺寸有限的材料构件的测试。因为用于测试的低频正弦脉冲，信号包含几个稳态周期，脉冲信号脉宽都较长，会造成有用信号与干扰信号的时域混叠。不能合理提取有效信号，也就得不到准确的测量结果。通过压缩脉冲宽度可以解决这个问题[6]，并且可以达到宽带测试的目的。为了产生8-30 kHz频段的宽带压缩脉冲，用2 μs（1样点）宽度的方波脉冲作为初始脉冲信号。第一步，计算测量系统传递函数，任意信号发生器在计算机控制下输出2 us方波信号到功率放大器，驱动换能器发出脉冲声信号，输出波形如图4所示，求出系统响应，如图5所示。第二步，将2 μs宽方波作为希望输出的信号，把解出的反滤波因子数据送入任意信号发生器，经功放驱动换能器发射，图6為计算得到的理论上的输出压缩波形，图7为对其作DFT得到的频谱，采样率fs=500 kHz，采样长度N=1 000，频率分辨率为△f=0.5kHz。对比可见，未作压缩处理的方波输出信号频谱的-6 dB带宽很窄，能量集中在谐振频率点附近。作压缩处理的方波输出信号频谱的-6 dB带宽明显扩展，尤其是相对提高了我们需要的低频响应。压缩后脉冲信号宽度约为0.1 ms。
3 双层导流罩平板模型测试 对图1所示双层导流罩平板模型的测试需求为：8-30 kHz频段，双层板间距分别为20 mm、22mm、25 mm、 27 mm、 30 mm、 32 mm、 35 mm、40 mm时，声波入射角度-45 0-450范围内，模型的声压透射系数（插入损失）。
3.1 测量原理及水下声场布放
图8为双层导流罩平板模型透声性能测试装置图，测试在自由场中进行。
测量原理为：先测量未放入样品时，水听器接收的时域信号为参考信号pi（t）;在水听器和发射器之间放入样品后，调整声入射角度θ，采集水听器信号为透射信号pt，（0，f）;根据公式（2）计算试样θ角度入射时样品透射系数T（θ，f），电动控制旋转样品调整入射角度，直至测完全部入射角度透射系数，获得样品的斜入射诱声件能分布。
水下声场布置时需要满足自由场远场条件[7]。样品与水听器应布放于发射器的远场位置，发射换能器的辐射面直径为φ575 mm，水听器选择B&K8103，计算30 kHz的远场距离，将样品布放在距离发射换能器1.75 m位置。
声波透过样品，对于不同材料、结构及尺寸的试样，其背面形成的透射声场分布也各不相同。此时的声场，可看成透过样品，由样品上的许多的面元发出的声波互相叠加、干涉的结果，形成具有极大、极小的周期性起伏的声场。图1所示模型，加强筋结构和螺栓的引入使透声窗的透射声场变得复杂，存在结构近场区域。声学测试应在样品结构单元透射声场远场进行。可通过在声轴线上测量轴向声压与距离的变化曲线，确定远场位置。实验确定30 kHz时样品的结构远场位于距样品1m处。利用反滤波压缩脉冲信号进行低于30 kHz宽带测试时，须将水听器布置在声轴线上样品背面1m处。
3.2 时间窗选择
复杂结构的样品透声场的信号来源繁多，需要具体问题具体分析，合理地选择时间窗，选取有用的信号，摒弃干扰信号，才能获取准确的测量结果。图1所示试样在声波垂直入射时，透射声场中各信号来源如图9所示。各信号行走路径分别为：①[样品一次透射信号]、②『样品内框架散射信号]、③[样品二次透射信号]、④『样品边缘衍射信号]、⑤[水面、池底反射信号]、⑥[}也壁反射信号]。因样品的三次以上的透射信号已经很小，此处忽略不计。
取发射器与样品间距/=1.75 m，样品与水听器间距d=l m，单层板厚4 mm，声轴线距水面和池底都为2m，发射器与水听器距离中心至池壁距离2.75 m，不同的板间距情况下，各信号的初始时延见表1。时域波形信号示意图见图10，不同信号的初始时延分布用相应的数字箭头表示。
显然，透射声场信号中：①～③为有用信号，④～⑥为干扰信号。水下声场的合理布置能使有用信号和干扰信号有效分离，也易于时间窗的选取。本文选择图10中的A、B之间的时间窗。
如图6，初始压缩脉冲信号宽度约为0.1 ms。利用该信号，有用信号和干扰信号在时域上是分离的。当声波斜入射时，各类信号脉冲会产生不同程度的时域拓宽，各信号的初始时延也会有所改变，但干扰信号也不会混叠到有用信号中，并不影响时间窗口的选取。此外，可以通过一次信号采集，实现全频段的测试。若采用单频正弦脉冲信号，一般要求脉冲信号至少包含两个稳态波周期，再加上换能器的瞬态效应，有用信号和干扰信号在时域上会叠到一起。如10 kHz，脉冲宽度至少为0.3 ms，信号③未结束时，信号④已到达，③④两个信号叠到了一起。而当声波斜入射时，混叠效应将会更加明显。
3.3 测试结果
利用上述测试方法和技术，对图1所示的双层钛合金导流罩平板模型在8mX5m×5m的消声水池中进行测试。图11为声波垂直入射时，选择不同的双层板间距，模型的插入损失测试结果图。因为水层声腔厚度的差异，使得插入损失的频率峰谷值规律性变化。图12为固定双层板间距32 mm，声波斜入射（从- 45°到垂直入射）时，模型的插入损失变化曲线图。随着斜入射角度的增大，因双层板声腔结构引入的插入损失峰谷值向高频移动。
4 结论
本文用宽带换能器和反滤波压缩脉冲测试技术，通过合理的水下声场布置和时间窗选取，解决了双层钛合金导流罩平板模型低频段和大角度测试难度问题。测试得出模型试样低频宽带范围内插入损失的频率谱和角度谱。使用的测试技术和方法实现了低频、宽带、大角度、高效率、复杂试样的水声性能测试，可作为水声自由场环境下，常规大样测试技术的一个补充。
参考文献：
[1]邵开文，马运义舰船技术与设计概论[M]北京：国防工业出版社，2005.
[2]孙好广，李水.水中双层金属板的透声性能分析[J]声学与电子工程，2002，（1）： 34-36.
[3]吴荣宝双壳钛合金球鼻首结构的技术研讨[J]舰船工程研究，2001，（1）： 17-19
[4]李源源舰艇新型球鼻首的結构设计探索[J]舰船工程2007，（3）： 58-60
[5]李水，罗马奇，赵洪，易燕，等声学水声材料样品插入损失、回声降低和吸声系数的测量方法：GB/T 14369-2011中国标准出版社，2011
[6]李水水卢隐身材性能的测量方法研究[D]哈尔滨工程大学，1998
[7]陈毅，赵涵，袁文俊水下电声参数测量[M].兵器工业出版社，2017.