声学测量指导书.doc

声学测量实验指导书陈洪娟哈尔滨工程大学水声工程学院2005.4.1655第1部分 必做实验实验1 声学测量仪器设备认知实验一、实验目的通过本实验掌握声学常用测量仪器的使用方法，并了解声学测量实验应该满足的条件要求和实验室进行实验时的注意事项。二、实验内容与要求： 1、内容单台演示各测量仪器的功能，并连接成测量系统演示水声信号。2、要求教师操作并讲解，学生提问并试操作。实验2 水听器自由场电压灵敏度校准一、实验目的通过本实验掌握水听器灵敏度的比较校准方法，并熟悉有关测量仪器的使用。二、实验原理与方法1水听器的灵敏度水听器就是水声接收换能器，它是把水下声信号转换为电信号的换能器。水听器的灵敏度就是水听器的接收灵敏度，通常是指开路电压灵敏度，可分为自由场灵敏度和声压灵敏度。（1）自由场电压灵敏度在平面波自由声场中，水听器输出端的开路电压与在声场中引入水听器前存在于水听器声中心位置处的自由场声压的比值，称为水听器的自由场电压灵敏度。符号为，单位是伏每帕V/Pa，以数学式表示为： （1）自由场电压灵敏度是相对于平面行波而言的。如果水听器是无指向性的，则不论平面波从哪个方向传来，灵敏度都是相等的。如果水听器是有指向性的，则灵敏度随平面波入射方向而变。因此，在水听器上必须标明正对平面波的入射方向、频率和输出端。自由场灵敏度与其基准值之比值的以10为底的对数乘以20，称为自由场电压灵敏度级，符号为、单位是分贝，以数学式表示为： （2）自由场灵敏度级的基准值为1V/Pa。（2）声压灵敏度水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值称为水听器的声压灵敏度，符号为。当用分贝表示时，称声压灵敏度级，符号为。如果水听器的最大线性尺寸远小于水中波长，且水听器的机械阻抗远大于水听器在水中的辐射阻抗，则其声压灵敏度级等于自由场电压灵敏度级。2水听器灵敏度的校准方法对水听器实施校准是水声计量测试工作的主要内容之一。水听器的校准按使用目的和校准不确定度分为一级校准和二级校准两个级别，也称为绝对校准和相对校准，相对校准有时也称比较校准或替代校准。在水声计量中，对这两级校准的区分是这样规定的：在一级校准中，可以使用已校准的振荡器、放大器、电压表和阻抗电桥等仪表，但不得使用已校准的换能器，而在二级校准中，可以使用已校准的换能器作为参考标准。一级校准法中典型的代表是互易校准法，互易法是利用电压互易原理校准换能器的一种绝对方法，最常用的互易法是常规自由场球面波互易法、柱面波互易法、耦合腔互易法等，另外一级校准方法中还有双发射器零值法、振动液柱法、活塞风法和静态法等，这些都是为了解决3KHz以下的低声和次声频段上的水听器校准而专用的方法，其中双发射器零值法和振动液柱法为低声频段优选使用的校准方法。一级校准法用于校准标准水听器（也称一级标准水听器），它用作计量标准器具或作精确的声学测量，一级校准法校准精度高，但所用仪器较多、较昂贵，且方法繁琐。二级校准法的典型代表是比较校准法。此法所用测量仪表少、测量步骤少、测量程序简单，多用于校准测量水听器（也称二级标准水听器），它用做工作计量器具。当然比较校准法由于方法简单易操作，产生误差来源少等优点，使得它在水声测量中应用十分广泛，例如，对新研制的换能器的性能鉴定测量，对工厂生产的大量换能器的性能指标的测量等，当此法只采用一个标准水听器进行比较时，其校准精度要低于参考的标准水听器的原精度，但是若采用两个或三个标准水听器进行比较并将测量结果加以平均，则其校准精度和可靠性都会得到提高，并且还能检测测量是否有误等等。3水听器自由场电压灵敏度的比较校准方法水听器的比较法校准是将一个未知灵敏度的水听器（即待校水听器）和一个已校好的参考水听器（即标准水听器）先后放入声场中同一位置，让它们接受同样的自由场声压，然后比较这两个水听器的开路输出电压，根据自由场电压灵敏度的定义：替换前后两个水听器的等效声中心应重合在声场的同一点上，而其测量条件前后不作任何改变。这样，在该点处自由场声压前后是相同的，则有： （3）式中和分别表示待校水听器和标准水听器的开路输出电压；和分别表示待校水听器和标准水听器的自由场电压灵敏度。根据（3）式可推得： （4）即：或用灵敏度（级）表示为： （5）由（4）式或（5）式可知：只要测得前后放入的标准水听器和待校水听器的开路输出电压与，再结合已知的标准水听器灵敏度，即可求得待校水听器的自由场电压灵敏度。在实施测量之前，要做好如下一些准备工作和检验工作：（1）本校准方法通常是在开阔水域或消声水池中进行，因为本方法是建立在自由场平面波条件的基础上，所以要建立一处很好的接近于自由场的测量条件。若在非消声水池中实验，需要使用脉冲声技术，使之在脉冲持续时间内建立一个等效的自由场。所谓自由场是指一个声源在均匀的、各向同性的、无反射边界的水域中所建立的声场，实际上这种理想的自由场是不存在的，所以在自由场校准中这也是一项不可避免的误差。（2）在测量时为了建立声场需要一个发射换能器（即声源），其性能不要求很高，仅仅要求它能产生所需频率的声波，且有足够的声源级，当然，还要求它在每个频率点上发射信号是稳定的，且不失真。（3）在实施测量前应对所用的三个换能器发射换能器、待校水听器、标准水听器的表面（包括其电缆的下水部分）进行清洗并在换能器的工作面上涂上浸润剂，以保证换能器放入水中后表面不产生气泡并与水介质间有良好的声耦合，另外测量前还应将三个换能器放入水池中适当深度上保持一段时间，使其与周围的水介质温度和静压力达到平衡，这可去除换能器表面和边缘的气泡，且对水听器灵敏度的稳定性有意义。（4）在实施测量时，水听器必须放置在发射换能器声场的远场区，以获得近似的平面波声场。其间距离可根据所选用的发射换能器的邻近区判据来决定。此外，还应事先检验三个换能器的水平和垂直指向性图，以便选定校准方向。对于指向性水听器，应选其声轴方向作为它的校准方向。为提高校准精度悬挂换能器时，要注意支架在水下可能产生散射对水听器的影响。以上准备工作和检验工作完成后，可按下列步骤实施校准：（1）将发射换能器、标准水听器放入平面波自由场恰当的位置上，并固定好。（2）按图1所示实施线路图连接好仪器。接通电源，予热五分钟。（3）调整信号源输出电压为0.5V，功放放大20dB，测放放大2040dB，滤波器为 1/3倍频程档。（4）分别调整信号源和滤波器频率值并保持二者一致，然后在各频率点上测量标准水听器的开路电压。测量水听器的开路输出电压时必须要求所用仪表的输入阻抗比水听器的输出阻抗大200倍以上。通常选用的电压测量系统的输入阻抗为1兆欧以上。另外水听器开路电压的测量是在水听器电缆的末端测得的。如果水听器所带电缆很长（20m以上）则还应考虑电缆的分布阻抗引起的输出电压的损失。（5）用待校水听器替换水中的标准水听器，再重复一遍测出其开路输出电压，然后根据两次所测数据和公式（4）或（5）求出待校水听器在各频率点上的灵敏度值。图1 水听器灵敏度校准实验仪器框图比较校准法尽管方法简单，但仍存在以下四种误差：（1）测不到真正开路条件下的电压。（2）标准水听器自由场灵敏度值受许多因素影响可能会发生变化，而与原始标准值不同。（3）缺少真正的自由声场。（4）缺少足够大的信噪比，在本校准法中要求来自发射换能器的直达波信号与各种干扰噪声之比应在20dB以上，否则测量误差较大，甚至失效。三、实验内容与要求：1内容：根据实验条件给定一只发射换能器、一只标准水听器和一只待校水听器以及相应测量仪器，然后采用比较校准法测得该待校水听器的自由场电压灵敏度（级）。本实验室所用发射换能器为18.87.211cm的方型换能器，而标准水听器为B&K8104型水听器，另外给出一只仿8104型的待测水听器。2要求（1）认真做好校准前的准备工作和检验工作。（2）根据校准水听器和待校水听器的工作频率范围要求分别测出在40KHz、50KHz、63KHz、80KHz四个频率点上的待校水听器和标准水听器的输出电压（可由示波器读取）。标准水听器B&K8104在下列频率点上的自由场电压灵敏度（级）分别为： 40KHz-204.8dB 50KHz-202.6dB 63KHz-203.3dB 80KHz-207.1dB以供分析时用。（3）根据测得的数值求各频率点上待校水听器自由场电压灵敏度（级），并画出其灵敏度频响曲线。四、思考题1总结水听器灵敏度校准的方法有哪些。2水听器灵敏度的比较校准法产生误差的原因有哪些。实验3 水声发射换能器发送电压响应测量一、实验目的掌握水声发射器发送电压响应的测量。二、实验原理与方法：1水声换能器的发送响应发送响应是用来表示发射换能器发射性能的物理量。在水声换能器的研制过程中或对水下声系统进行鉴定时，都需要对换能器的发送响应进行测量。对于压电换能器，一般测发送电压响应，而对磁致伸缩换能器，测量发送电流响应。（1）发送电压响应发射器在某频率下的发送电压响应，是在指定方向上离其有效声中心参考距离上产生的自由场表观声压与加到换能器输入端的电压V之比。单位：帕米每伏Pam/v。以数学式表示为： 式中：为参考距离1m。为表观轴向声压，可表示为，其中为离被测换能器有效声中心d米处的声压。因此，发送电压响应也可以说是发射器在某一频率下指定方向上离其有效声中心参考距离d米处的远场中的声压和该参考距离的乘积与加到输入电端的电压V的比值，即： 发送电压响应级是发送电压响应与其基准值之比值的以10为底的对数乘以20，单位是分贝dB，以数学表示式为其中：基准值为1Pam/ V。（2）发送电流响应发送电流响应是发射器在某一频率下指定方向上离其有效声中心参考距离d米处远场中的声压和该参考距离的乘积与加到输入电端的电流I的比值。单位：帕米每安Pam/A，以数学式表示为： 发送电流响应以分贝表示时为发送电流响应级，即： 其中：基准值为1Pam/A。2发送响应的测量方法虽然发送（电压或电流）响应都是按辐射到距发射器声中心1米处的表观声压值来定义的，但这并不意味着水听器到发射器的测量距离只限于1米。如果发射器的尺寸较大，离发射器声中心1米处的点，可能是处于发射器的近场区甚至还可能就在发射器（或其基阵）本身之内，例如，对于半径为2米的圆柱型发射器。因此，实际测量都是在大于1米的远场中的某距离上完成的，要求那里的发散声波是球面波，即声波强度或声压平方是随距离的平方成反比地衰减，所以有效值声压与距离成反比。这样把远场中d米处测量的声压值换算为1米处的表观声压值时，只要乘以距离d即可。在自由场中，对发射器发送响应的测量也有二种方法：一是互易法校准；二是比较法校准。发射器校准就是测量其发送响应。其两种校准方法与水听器灵敏度校准的方法相类似。使用标准水听器来校准发射器的测量方法很简单：先把待校发射器放入自由场中，然后在发射器的声轴上距其等效声中心d米处放置一个已知自由场灵敏度为的标准水听器，并测出其开路输出电压，这样d米处声压为，再测出发射器两端所加电压或电流，由此可得： 或 本方法在实施之前要做好以下准备工作：（1）实验水域必须满足自由场条件，若在非消声水池实验则需采用脉冲声技术。（2）实验前待校发射器与标准水听器必须清洗，并提前放入水池中浸泡。（3）水听器必须置于发射器声轴方向上且远场区域d米处，其远场区根据邻近区判据来确定。以上工作完成后按下列步骤进行实验：（1）将待校发射器和标准水听器放入自由场中适当位置上。（2）按下图连接实验线路，接通电源后予热五分钟。图1 发射换能器发送响应测量的方框图（3）调整信号源输出电压为0.5V，功放放大2040dB，测放放大2040dB，滤波器为1/3倍频程档位。（4）分别调整信号源信号频率和滤波器中心频率，使二者相同，然后在各频率点上分别测量发射换能器上所加的输入电压和标准水听器的开路电压。发射换能器上所加的输入电压，即功放的输出电压，可由功放的监测口电压推得（功放的监测口电压为功放的输出电压的1/10），而功放的监测口电压可由示波器直接测得。水听器的开路电压的测量采用替代法，不可直接从示波器上读取，因为此实验中值对测量结果影响很大，替代法测量如下：在某一频率点上，调整测放和示波器的放大倍数，使水听器的输出信号正常显示，然后在保持测放和示波器放大倍数不变的条件下，用正弦信号发生器输出信号代替水听器的输出信号送入测放，调节信号源的输出电压的大小，使之在测放和示波器上观察的数值与水听器输出电压的大小相等。此时正弦信号发生器的输出电压值即为水听器的真正开路电压值，记为。根据发送响应（级）定义，可知 其中为发送电压响应级，为标准水听器灵敏度级。其基准值re 1Pam/V。三、实验内容与要求：1内容根据实验室条件给定一只待测发射换能器、一只标准水听器以及相应的测量仪器，然后采用比较法校准发射器，即测出发射换能器的发送电压响应。本实验室待校发射换能器为18.87.211cm的方型换能器，标准水听器为B&K8104型水听器。2要求：（1）认真做好实验前准备工作；（2）根据发射换能器的工作频率范围要求分别测出在40KHz、50KHz、63KHz、80KHz四个频率点上的发射换能器上所加电压和水听器输出的开路电压。标准水听器B&K8104在下列频率点上的自由场电压灵敏度（级）为：40KHz-204.8dB 63KHz-203.3dB50KHz-202.6dB 80KHz-207.1dB（3）根据测得的数据计算出发射换能器的发送电压响应（级），并绘制出发送电压响应的频率特性曲线。求出发送响应带宽。四、思考题：1总结发射换能器发送响应的测量过程中、产生误差的原因。实验4 水声换能器指向性测量一、实验目的：通过本实验掌握测量水声换能器指向性的方法。二、实验原理与方法：描述一个水声换能器的自由场远场的指向性响应的特性参量有：指向性图、指向性因数和指向性指数等。1指向性图（1）基本概念发射换能器或其基阵的发射指向性图是表示它在自由场中辐射声波时，在其远场中声能的空间分布图像。通常用表示归一化的指向性图函数，定义式如下： 其中：表示考察方向与极轴（通常为Z轴）的夹角；表示考察方向在XOY平面上的投影线与x轴的夹角；表示各考察方向上自由场声压的有效值；表示声轴方向（或选定方向）上自由场远场电压的有效值，通常方向就选定为有效值声压为最大值的方向。是个不大于1的正值，若取分贝表示，则恒为负分贝数。换能器的发射指向性图会随发射信号频率的改变而变化，就是说，同一换能器当发射不同频率的信号时，其辐射声能在空间分布是不同的。对于一个水听器或基阵，它的接收指向性图是表示自由场远场传来的平面波入射到水听器接收面上的平均声压随入射方向变化的曲线图。或者说，它是水听器在远场平面波作用下，所产生的开路输出电压随入射方向变化的曲线图，其函数表示式可记作：其中：，分别表示任意方向和最大值方向入射的平面波在水听器接收面上所产生的作用力；A为水听器接收面的有效面积；，分别表示任意方向和最大值方向上的自由场电压灵敏度。可见，水听器的接收指向性图也就是它的相对灵敏度的曲线图，所以其也小于1，即也为负的分贝数。指向性图函数，也有利用任意方向上的声强与最大值方向（或声轴方向）声强之比来定义的，以符号表之，即： 我们称为声强指向性图函数，称为声压指向性图函数，两者若用分贝表示时，其分贝值是相同的。由上述可知，一个完整的指向性图应是一个三维空间图案，但使用时，通常都使用二维极坐标图来表示换能器的指向性。对于声呐换能器或其基阵来讲，它们的指向性图的特性参量有：波束宽度和最大旁瓣级两个。所谓波束宽度就是指主瓣或主波束两侧的两个方向之间的夹角，此两方向上的声压级相对于轴向声压级下降3（或6、10）分贝的声级，分别称之为下降3分贝（或6、10分贝）的波束宽度。通常记作，如果指向性图的主瓣在声轴两侧是对称的，则也可用半波束宽度来表示，记作，即半波束宽度是指声轴与指定声压级方向之间的夹角，一般波束宽度取决于辐射器形状和尺寸与波长比。指向性图可以用直角坐标，也可用极坐标表示，用极坐标表示的方向特性曲线很直观，表现为比较复杂的“花瓣”形式，具有一些极大值和极小值（在直角坐标下也可看到），称主极大所在的那个花瓣为“主瓣”，其它极大值所在的花瓣为“旁瓣”，紧挨着主瓣的旁瓣称第一旁瓣，旁瓣的幅值一般小于等于主瓣的幅值，若旁瓣的幅值与主瓣的幅值相同，则此旁瓣称为栅瓣或副瓣，旁瓣中幅值最大的称为最大旁瓣，一般连续声源的指向性图的第一旁瓣就是它们的最大旁瓣，而基阵则不一定。最大旁瓣级是最大旁瓣与主瓣的幅值之比取对数、用dB表示。（2）四种典型换能器的指向性图a. 带障板的均匀平面椭圆形活塞换能器其归一化的声压图函性为： 其中，a为椭圆的长半轴长度；b为短半轴长度；为一阶贝塞尔函数；为波长；为波数；为观测方向（声线）与ox轴夹角；为声线在yoz坐标面的投影与ov轴夹角。此椭圆活塞的三维指向性图函数对三个坐标面的截面曲线图即为二维指向性图（一般测量所得的指向性图均指二维），分别为：在平面中， 在平面中， 在平面中， 显然椭圆活塞的指向性图在三维空间中非对称的，但当a=b，即活塞为圆形时，以上所示的三维指向性图均可化为： 也就是说，均匀圆活塞在三维空间中的指向性是对称的，其二维指向性图为一圆（极坐标下），即在三维平面上无指向性，图2所示为其指向性图（见虚线）。b. 带障板的均匀平面矩形活塞： 其二维指向性图分别为：在平面， 在平面， 在平面， 其中L为平行于轴的矩形边长；为平行于轴的矩形边长。若沿轴有一个长度为的均匀连续直线（或细柱）换能器，则其在过轴的二维平面上的指向性图函数为：。当时，即为正方形活塞，则其三维指向性图函数为： 显然，它在两个二维平面上的指向性图是相同的，即 如果取一沿正方形对角线的法向平面为二维平面，即则此平面上的正方形活塞的二维指向性图函数为： 其中为正方形活塞的对角线长度。c. 均匀等间距的N元点源线阵其指向性函数表达式为： 其中：为相邻点源间距为波数由公式可知：时，即出现极大值。这些极大值出现的角度由下式确定：其中时，即基阵法线方向，在这个方向出现的极大值称为主极大（即主瓣）时，所对应的角度上出现的极大值为次极大（即副瓣）（连续声源不存在）。次极大出现的个数和方位随的不同而不同，一般比值愈大，则次极大出现的次数也愈多，由公式还可知且时，此角度上出现极小值，即，两个极小值之间的极大值为副极大（即旁瓣）。如果增加单位长度上点元的数目，减小其间隔，则，另外，Nd=L，线阵长度则其指向性函数为，即此时点元线阵近似为连续线源。2指向性因数和指向性指数指向性因数和指向性指数是用来度量指向性图主瓣或主波束的尖锐程度的一个特征参量。对于发射换能器而言，它的发射指向性因数和指向性指数定义为：在参考方向上（通常指声轴方向）远场中某点的声强（或声压有效值的平方）与相同距离上各方向的声强平均值（或声压有效值平方的平均值）之比值，称为发射指向性因数，用DF表示，此比值的分贝数，即取其以10为底的对数乘以10，则称为发射指向性指数，用DI表示，它们也是声呐方程中的一个重要参量，用公式表示为： 式中，表示声轴方向上距发射器声中心d米距离处的声压有效值； 表示同一距离d米处各方向上的自由场声压有效值；表示从距离d米为半径的球面s上各点的均方声压的积分除以球面积。所以DF也可以表示为 （1）对于定向接收器或水听器阵而言，其接收指向性因数DF的表达式也可用发射指向性因数（1）表示，但它所表示的物理意义不同。在各向同性的噪声场中检测平面波信号时，定向接收器的接收指向性因数DF正好代表其输出端的信噪比比无指向性接收器输出端的信噪比提高的倍数。对于互易换能器及其基阵，可证得：它的发射指向性因数与接收指向性因数是相同的，因为它的发射指向性图与接收指向性图也是相同的。对于一些典型的简单式的换能器，已知指向性函数后，可将其代入DF、DI表达式，求出其具体表示式，例如：一个带有无限大刚性障板的平面圆形活塞，有： 其中：为一阶贝塞尔函数；为波数；为平面圆活塞半径。下面表1所示为不同尺寸波长比情况下DF、DI的理论值。0.3180.50.6350.81.01.301.452.03.04.05.010.01.02.474.06.329.8716.820.739.4888.8158247987DF2.363.013.9045.599.2617.925621.838.587.9158.2247.298810lg03.926.0909.9412.313.215.9619.522.023.929.9DI(dB)3.74.785.947.479.6612.5813.4215.8619.49622.223.9229.7从表中数据可以看出：当时，采用如下近似式计算误差在7%以下（小于0.3dB）。 式中为此平面圆活塞面积。同时还可以看出：当时，此近似式计算结果与理论值相差3%以下（0.1dB以下）。由此，我们得到其它形状的大型平面活塞辐射器（如方活塞、矩形活塞、多边形活塞）当活塞面线性尺寸比波长大时的发射指向性因数和发射指向性指数的表达式： 同理，可以得到均匀连续直线（包括细长圆柱）声源，当时，其发射指向性因数和发射指向性指数的近似表达式： 式中L为连续直线的长度。此时近似值与理论值仅相差0.5dB之内。3测量方法：（1）指向性图的测量水声换能器指向性响应的测量必须在自由场远场条件下，并且比接收灵敏度校准和发送响应测量要求更好的自由场条件，因为这里要求有更大的测量距离，并要测出高信号级（在声轴向上）和低信号级（在旁瓣上）之间的“差”。另外测量换能器指向性图必须要有一套精密的机构回转装置或伺服系统，将被测换能器装在旋转轴上，使其有效声中心位于旋转轴上，若使用自动记录仪，则换能器的旋转速度不能太快，尤其对高指向性换能器，否则记录器的滞后效应及换能器的抖动会引起附加误差，如果手动记录，则在波束宽度内或其它起伏急剧的扇面内，测点应密些，在其它方位上测点可稀疏一些。在测得的指向性图上应标明参考方向、定向平面、测量频率及环境条件（水温、静压）等。在进行指向性图测量之前，应做好以下几项准备工作：a. 用酒精擦拭并充分浸泡被测发射换能器与标准水听器2将被测发射换能器安装在旋转装置上，同时把标准水听器置于其自由场远场中且保持一致深度（即，D为发射换能器与标准水听器间距，d为发射换能器最大尺寸）；3按下图所示连接实验设备；图1 实验设备连接框图4接通电源，予热五分钟，调节信号源输出频率，使之与发射器工作频率一致，输出电压在0.5V左右（切记）；5调节功放放大倍数在2040dB（以不过载为宜）；6调节测放放大量为2050dB，滤波器频率调为1/3倍频程档，与信号源输出频率一致；7调节脉冲调制器，在示波器上观察以下各通道信号：（1）功放监视口输出信号波形正常，其幅值大小可根据发射器设计要求而定；（2）脉冲调制器的接收部分的交流AC输出信号（即水听器的输出信号），其波形正常，此信号波形受环境变化影响，但基本波形不变；（3）脉冲调制器接收部分的门输出信号，其波形正常，此信号应适当调整后与AC输出信号的直达波的稳态部分相对应，以上各信号均正常后，在示波器上固定显示AC通道输出信号和接收门输出信号，以便测量时观察；8转动旋转装置，改变发射器的方向，在示波器上观察AC通道输出波形（即水听器接收的声脉冲信号）的变化情况，同时在电平记录仪上空纸情况下确定其最佳放大量，即确定主瓣位置，在指向性图上，其位置不宜过大或过小；9观察完毕后在电平记录仪上装好记录笔和方向性图纸、机械落笔和电落笔，然后转动旋转装置、改变发射器方向，以转动一周360为宜，测绘发射器的发射指向性图。转动时注意不要把发射换能器电缆缠绕在旋转杆上，所以转动时要正转一周后再反转一周。指向性图的具体测试方法根据各实验室的设备不同，会有所不同，但大致内容和步骤相似，由上述测量过程，可知影响指向性图测量精度的因素有：自由场远场条件，有效声中心与旋转轴偏离程度，记录器的分辨率和滞后效应等。（2）指向性因数和指向性指数的测量根据指向性因数和指向性指数的定义，在实际测量中有以下几种方法可测量水声发射换能器的指向性因数和指向性指数。第一种方法是通过测量换能器辐射面的尺寸（或面积）代入其近似式后计算的方法。第二种方法是根据实测的波束宽度，通过查表或利用经验公式计算的方法。对于均匀连续直线（含细长柱）换能器： 对于活塞式换能器：式中，分别表示过声轴的面相垂直的二个定向平面中的指向性图主瓣的-3dB的波束宽度。第三种方法是根据实测的指向性图进行图解积分或数值积分计算的方法。根据这种方法可以设计研制一种全自动的指向性指数的数字测量系统，以上测量指向性指数的方法均以测量其指向性图为基础的，因此在实测中一般只测量换能器的指向性图，其它两个参量由它推得即可。三、实验内容与要求：1内容：根据实验室条件给定一只发射换能器、一只水听器和相应的设备，然后测量换能器的指向性图。本实验所用发射换能器为方形活塞换能器尺寸为8.87.211cm，标准水听器采用B&K8104。2要求：（1）认真做好实验前准备工作；（2）根据所测发射换能器工作频率的要求，测绘频率时的发射换能器指向性图；（3）根据测得的方向性图，求得50KHz时主瓣中的波束宽度值；（4）求得频率为50KHz时的最大旁瓣级。四、思考题：1影响指向性图测绘精度的因素有哪些？实验5 水声换能器电阻抗特性测量一、实验目的：1学会用HP4192A型低频阻抗分析仪测量电声换能器阻抗特性的方法；2掌握利用换能器的阻抗特性导出换能器的带宽、品质因数、电声效率的方法。二、实验原理与方法：1、用HP4192A型阻抗分析仪测量换能器阻抗特性。HP4192A型阻抗分析仪是一种用于大范围阻抗测量以及增益，相位和群延测量的全自动，高性能的测试仪器，在阻抗测量中，4192A型阻抗分析仪可以测量11个阻抗参量阻抗绝对值，导纳绝对值，相位角、电阻R、电抗X、电导G、电纳B、电感L、电容C、损耗因子D和品质因数。具体操作方法如下：1按下电源开关；2 选择测量电路模式；CIRCUIT MODE选择键用来选择电阻/电导（R/G），电容C和电感L测量时所要使用的测量电路模式，一般对压电式换能器测量时选择并联模式，即按下标有 记号的键；而测量磁致伸缩式换能器时将标有 记号的键按下，即选择串联模式。注意：当电路模式设在 并联时，仪器测量的参量是导纳（G和B）；而电路模式设在 串联时，测量的参量是阻抗（R和X）。3选择测量参量。利用功能选择键 或 来完成，它与CIRCUIT MODE一起使用。当电路模式设在 时，显示器A上显示，中的、G和B参量，而当电路模式设在 时，显示器A上选择显示、R和X三个参量。这里为串联阻抗模；并联导纳模；R电阻；X电抗；G电导；B电纳。4将被测换能器输出端接入4192A输入端；5设定测量起始频率，终止频率和频率间隔。用键和数字键设定起始频率；用键和数字键设定测量终止频率，而频率间隔的选择用键和数字键来完成。例如：设定测量起始频率1kHz，终止频率10kHz，频率间隔为1kHz，则具体操作为：先按下键，然后按数字键和单位键kHz；这样起始频率就设定好了，终止频率和频率间隔的设定方法与其相同。6选择扫描方式；用手动和自动两键来完成。7UP STEP START键可控制测量频率点以设定间隔由低向高步进；DOWN STEP键可按控制测量频率点以设定间隔由高向低步进；STEP PAUSE键可暂时停止扫描以改变间隔或方向。8显示器A显示的结果是G（压电换能器）和R（磁致伸缩换能器）及其单位（ws.nis s或等），而显示器B显示的结果是与A相应的B或X及单位；显示器C将显示每一个测量频率点的频率值及单位。以是介绍的只是用HP4192A型阻抗分析仪测量换能器阻抗特性的方法。HP4192A型阻抗分析仪功能很强，还可以完成其它很多方面的测量和分析，这里就不一一介绍了。2利用换能器的阻抗特性导出换能器的带宽、品质因数、电声效率的方法。（1）带宽：在换能器的发射或接收频率响应曲线上对应于低于最大响应3dB的上下两个边频之差，就是换能器的带宽，对于高单谐换能器，可从所测得的阻抗或导纳频率曲线求得，如图1中的是半功率点频率，则图1导纳频率曲线（2）品质因数：品质因数是电或机械系统的阻尼大小或谐振曲线尖锐程度的度量，它等于谐振系统的无功阻抗对有功阻抗的比值。在导纳圆图中，称为串联谐振频率，即换能器的工作频率。在阻抗或导纳频响曲线上，换能器的电导G达到最大值而动态电纳时，所对应的频率就是（或称），而品质因数为：也称作机械Q值。（3）电声效率我们知道，换能器的电声效率是其输出声功率与输入电功率的比值，即上式也可写成其中表示输入换能器的电能有多少转换成机械能，即电机效率：而表示机械能有多少转换成声能辐射到介质中，即机声效率。可以证明，对于压电式谐振换能器，其电机效率由下式表示：式中换能器在水中测得的动态导纳圆直径；在水中测得的串联谐振时的总电导。而机声效率由下式表示：式中在空气中测得的动态导纳圆直径。于是，可以得到由此可见，只要分别测出换能器在空气中和水中的导纳圆图，即可利用上式求出换能器在水中辐射的电声效率。同样地，对于像磁致伸缩一类的磁性换能器，当工作在其谐振频率附近，且属于线性范围内的信号级驱动下，也可利用它在空气中和水中两次测得的阻抗圆图来计算它的发射电声效率，其公式为其中、与前式相同，谐振时在水中测得的等效总电阻。但必须记住：本方法只对单一模式振动的简单换能器在谐振频率工作时才适用，结果才可靠，而对于多谐（例如换能器振子前面有一层硅油或蓖麻油以及一层透声板）的换能器，本方法常常失效，另外当换能器工作在非谐振频率上时也不适用。因此，使用本方法时必须慎重。三、实验内容与要求1内容根据实验室条件，选择阻抗特性的测量方法，然后对一个压电式换能器和一个磁致伸缩式换能器进行阻抗测量。2要求（1）针对所选择的测量方法正确连接测量线路图；如果使用阻抗分析仪，要做好测量前仪器功能的选择和校准。（2）分别测量两种类型的换能器在空气中和水中的阻抗（或导纳）数值。并列表记录。（3）分别绘出两种类型的换能器在空气中和水中的直角坐标形式下的导纳（或阻抗）频响曲线以及复平面上的导纳（或阻抗）圆图。（4）根据所测得的换能器阻抗特性曲线求出被测换能器的机械值（即品质因数），带宽、串联谐振频率和电声效率以及静态电导纳（或静态电阻抗）值。四、思考题1总结换能器等效电路的适用条件；2分析换能器在水中工作时的谐振频率与其在空气中工作时的谐振频率有什么不同。原因何在。第2部分 选做实验实验1 吸声材料法向吸声系数测量一、实验目的通过本实验，掌握用驻波管法测量吸声材料法向吸声系数和法向声阻抗率的原理及操作方法。二、实验原理与方法1吸声材料的吸声系数在许多场合为了消除由物体表面产生的反射声波，往往在物体表面敷设特殊的材料或特殊的结构，以吸收入射声波的声能，这些材料称为吸声材料，这类结构称为吸声结构，吸声材料和吸声结构统称为吸声设备。吸声设备的主要性能指标有吸声系数、吸声的谐振频率、吸声的频带宽度。（1）吸声系数：其定义是，当平面声波垂直入射到吸声层表面时，透入层的声能与入射声波的声能之比值。记作，用数学式表示为（1）式中：为入射声波强度；为透入层的单位面积平均声能；为层表面反射声波强度；是反射系数的绝对值，它决定于吸声层表面单位面积的等效阻抗与波阻抗之比。作为吸声材料应该肯有一定的内损耗，但同时必须保证吸声材料表面的等效阻抗和水介质的波阻抗相匹配，否则，声波在表面产生很强的反射，而只有少量声能进入材料，因此纵然材料本身有很大阻尼作用，也不能达到足够大的吸声系数。总之，吸声材料的性能不仅取决于吸声材料内损耗系数，同时还决定于吸声结构表面阻抗与介质的阻抗匹配，由于吸声层的表面阻抗通常随频率而变，因而它对不同频率入射声波的吸声系数也不同。（2）吸声的谐振频率（或最大吸声频率）。是指吸声设备吸声系数为最大值时所对应的入射声波的频率。（3）吸声的频带宽度。是指吸声系数超过额定值（最小吸声系数）的频率范围，它决定于吸声设备的频率特性。2吸声材料的法向声阻抗率其定义为：（2）式中：是材料表面上入射波与反射波的总声压；是材料表面的法向质点振速；3吸声材料的法向吸声系数和法向声阻抗率的测量方法测量材料的吸声系数，一般采用驻波管法和混响室法，前者所测量的是法向吸声系数，后者所测量的是无规入射的吸声系数。用驻波管法测定吸声材料的法向吸声系数，设备简单且费用低谦根据法向吸声系数又可推算出均匀无规入射条件下的吸声系数。但驻波管法只适用于测量声学特性与材料尺寸无关的材料样品，多半用于测量多孔材料、多孔板或穿孔薄片结构的吸声特性。下面介绍一下用驻波管法测量材料的法向吸声系数和法向声阻抗率的方法。声学测量用的驻波管其结构如图1所示。整个装置主要包括以下几部分：a.驻波管，其内壁光滑而坚硬，截面均匀，被测材料样品装在管的末端，而另一端装有扬声器向管内辐射声波，为使管内获得平面波，声波的波长要大于管的内径，且满足下列要求：对于圆形管，直径0.586，对于知形管，长边的边长0.5。其中为声波的波长，根据测试频段不同，要选用不同内径和不同长度的驻波管。b.可移动的刚性后盖板，移动它可以调节吸声材料与刚性壁面间的距离；c.被测材料样品；d.探针式传声器，用来接收驻波管轴线上各点的声压；e.扬声器，向管内辐射声波，探针可自由穿过其中心孔；f.传声器小车，推动它可使探针在驻波管内纵向移动；g.标尺，用来指示探针在驻波管中的位置。图1 驻波管扬声器向管内辐射的声波在管中以平面波形式传播，其在材料表面被反射回来后，在管中建立起驻波声场，从材料表面算起，管中将出现声压极大与声压极小的交替分布，利用可移动的探针传声器接收其驻波信号，并在测试仪表上读出声压极大与极小的比值，便可确定垂直入射的吸声系数及法向声阻抗率，具体关系如下：当平面从被测材料表面反射回来时，在管中便形成驻波，则管内任意一点处的总声压为（3）其为入射平面波声压， 为反射波声压， R为材料反射系数；k为平面波波数，为声速，为波长，w为角频率。 如果略运河时间因子项，则上式（3）可以表示为： 令 则又由于一般为复数，所以（4）由（4）式可知，当时，声压出现极大值即（5）当时，声压出现极小值，即（6）若定义为驻波比，则由（5）、（6）两式得又即 （7）另外，因为平面波质点振速与声压有如下关系：（8）所以将管内任意一点总声压p代入上式（8）中，即可求得管内任一点处的质点振速u为：（9）根据法向声阻率定义式（2），得：（10）令（11）为比声阻抗率，即材料声阻抗率与空气特性阻抗率之比。一般为复数，记作由（11）式可得：（12）（13）由式可得即第一个极小值的位置个处，有如下关系。（14）将式（14）和式（7）代入（12）、（13）式，并令，则有（15）（16）由以上推导过程可知，只要确定了驻波比S，第一极小值位置和声波波长，即可根据公式（7）和公式（15）、（16）测得。测量法向吸声系数和法向声阻抗率方法如下：根据被测样品的测量频率范围，选择驻波管，并按要求安装样品于驻波管末端且密封好；调节信号源的输出幅值在一固定值，并使其输出频率为测量频率；调节滤波器中心频率对准声信号频率；移动传声器小车将探针式传声器移至被测材料样品的表面。然后慢慢移动小车，使探针式传声器慢慢离开样品表面，同时观察传声放大器上的电压表指示，找到一个声压极大值，然后调整传声放大器的增益（或调节放大器输入端电位器）使表头指针偏转到满刻度值，再移动小车细心批出相邻的第一个极小值，据此算出，即可求出。有些传声放大器，备有“电位器输入”插孔，探针式传声器接收的信号由此输入。则可以从专用的电压表刻度盘上直接读取值，这样就较方便了，只要在测定法向吸声系数的同时再测出第一个声压极小值以试样表面的距离和波长即可。另外利用公式（15）、（16）求很复杂，方法也很多，当然采用计算机计算是最方便、精度也最高的。三、实验内容与要求：1内容：根据实验室条件，给定几种吸声材料或吸声结构样品作为被测材料，然后采用驻波管法测量其法向吸声系数，再根据条件由推得法向声阻抗率。2要求：（1）根据实验线路图连接好各部分仪器；（2）在频率200Hz4kHz范围内，间隔200Hz为一频率点，测量以下被测材料的法向吸声系数。a.多孔吸声材料（泡沫塑料）一块；b.微穿孔板吸声结构3块。（3）利用图表或计算机，求法向声阻抗率；（4）画出样品吸声系数的频率特性曲线并分析结果。四、思考题1本实验中为什么采用滤波器？2本实验测试频率的上限、下限如何估算？为什么？实验2 交通噪声实时监测实验一、实验目的1了解噪声的量度和评价；2熟悉用声级计测量噪声声级和频谱的方法。二、实验原理与方法1噪声的主观评价噪声的含义可以有二种理解，一种是对任何一个不希望存在的声信号的统称；另一种是无规、断续的或随机的振动过程，这种噪声有连续谱与线状谱，多数为连续谱。我们测试的噪声信号常是这种无规噪声信号。噪声对人的影响大小，要由人们的主观感受来衡量。人耳听声，虽说是声压越大，声音越响，但声压与人耳感觉的响度并不是成正比的关系，而是成对数关系，即人耳对声音是对数检测器。人耳感受声音不仅与声压有关，而且还与频率有关。不同频率的声音，虽然声压相同，但人耳听起来往往不是一样的响度。根据人耳的这种听觉特性，引入了响度与响度级、计权声级等主观评价量。根据国际标准化组织（ISO）的规定，任何声音的响度级在数值上与此声音同样响度的1kHz纯音的声压级相同，响度级的单位是方。例如某一声音（纯音或复合声）斩起来和声压级70dB的1kHz纯音一样响时，则该声音的响度级为70方。以1kHz纯音为基准音，通过对比实验，可以得到整个可听范围内声音的响度级。如果把响度级相同的点连接起来，便得到一组曲线簇，称等响曲线，如图1所示。图1 自由场纯音等响曲线从等响曲线中可看出，在同样声压级时，人耳对3kHz4kHz的声音特别敏感，而对低频声不敏感，对8kHz以上高频声也不敏感。为了用声音的客观物理量来表达人耳听觉的主观感受，可在声学测量仪器中加入模拟人耳听觉特性的计权网络，使所接收的声音在人耳敏感的频域加以增强，人耳不敏感的频域加以衰减，就可从仪器上直接读出反映人耳对噪声感觉的数值，使主、客观评价量趋于一致，这种通过计权网络读出的声级叫做计权声级，计权网络有A、B、C、D四种，A计权网络是模仿40方等响曲线设计的，它对低频声（500Hz以下）衰减较大，而对1kHz5kHz的声音不衰减，甚至稍有放大；B计权网络是仿效70方等响曲线设计的，低频有衰减；C计权是仿效100方等响曲线，有近似平直的响应；D计权网络是为测量飞机噪声而设