style="width:9.5in;height:6.76042in" /> 本文是学习GB-T 32523-2016 声学 水声材料样品声压反射系数、声压透射系数和吸声系数的测量 行波管法. 而整理的学习笔记,分享出来希望更多人受益,如果存在侵权请及时联系我们
本标准规定了采用行波管法测量水声材料(或构件)样品声压反射系数、声压透射系数和吸声系数
的装置、原理、条件和方法。
本标准适用于平面层状水声材料(或构件)样品(以下简称样品)在变温、变压条件下100
Hz~
3150Hz
频段的声压反射系数(或回声降低)、声压透射系数(或插入损失)和吸声系数的测量。
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 3947—1996 声学名词术语
GB/T 14369—2011 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 3947—1996 和 GB/T
14369—2011界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
水声材料 underwater acoustic materials
在水声工程中，具有特定声学性能的材料。
3.2
行波管 travelling wave tube
在其中产生和传播平面行波，用于测量水声材料样品和构件，或校准水听器的充液波导管。
注：行波管一般采用壁厚不小于管内半径的不锈钢圆管。
3.3
声压透射系数 sound pressure transmission
coefficient
T
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。
注
： 实际测量时，在边缘效应可忽略的情况下，有限尺寸样品等效为无限大样品。
[GB/T 14369—2011,定义3.4]
3.4
声压反射系数 sound pressure reflection coefficient
R
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，其反射波声压与入射波声
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压之比。
注：见3.3中的注。
[GB/T 14369—2011,定义3.5]
3.5
插入损失 insertion loss
IL
给定频率和环境条件下，水媒质中在平面声波传播方向上插入无限大板状样品，在声波透过样品后
的某处，样品插入前与插入后声功率级之差。
注1:见3 . 3中的注。
注 2 : 插入损失用分贝表示。
[GB/T 14369—2011,定义3.6]
3.6
回声降低 echo reduction
ER
给定频率和环境条件下，水媒质中在平面声波传播方向上插入无限大板状样品，在样品前表面某
处，入射波声功率级和反射波声功率级之差。
注 1 : 见3 . 3中的注。
注 2 : 回声降低用分贝表示。
[GB/T 14369—2011,定义3.7]
3.7
吸声系数 sound absorption coefficient
a
给定频率和环境条件下，水媒质中在平面声波传播方向上插入无限大板状样品，被样品吸收的声能
与入射波的声能之比。
注： 见3 . 3中的注。
[GB/T 14369—2011,定义3.8]
3.8
双水听器传递函数 double hydrophones transfer
function
Hm
给定频率和环境条件下，声场中水听器m 和水听器n 位置处的复声压之比。
下列符号适用于本文件。
a — 行波管的内半径，单位为米(m);
c… — 行波管中水媒质的声速，单位为米每秒(m/s);
D, — n 号水听器到辅助发射器表面的距离，单位为米(m);
ER — 回声降低，单位为分贝(dB);
f — 测量频率，单位为赫兹(Hz);
f'— 微调后的测量频率，单位为赫兹(Hz);
f₁ — 测量频率上限，单位为赫兹(Hz);
f。 测量频率下限，单位为赫兹(Hz);
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Hm— 双水听器传递函数，m 和n 代表水听器编号；
IL — 插入损失，单位为分贝(dB);
k — 行波管中水媒质的声波波数；
L. n 号水听器与被测样品下表面的距离，单位为米(m);
lm — 组成水听器组的m 号水听器和n 号水听器之间的距离，单位为米(m);
M ——
传递系数，辅助发射器辐射声压除以辅助发射器驱动电压的复数量，单位为帕每伏(Pa/
V);
M′—— 传递系数M 除以辅助发射器表面入射声压pm 复数量的商；
m,n-- 水听器编号；
pm ——入射到辅助发射器表面的声波声压，单位为帕(Pa);
Dre 辅助发射器表面的反射波声压，单位为帕(Pa);
p — 样品的透射波声压，单位为帕(Pa);
P — 水媒质静压力，单位为兆帕(MPa);
— 样品的声压反射系数；
— 主发射器和辅助发射器同时工作时，辅助发射器表面的等效声压反射系数；
rp —— 样品的声压反射系数复数量；
ro —
只有主发射器发射声波，辅助发射器不发射时，辅助发射器表面的等效声压反射系数；
r1
在主发射器发射状态不变的情况下，辅助发射器由一个特定幅度和相位的电信号驱动
时，辅助发射器表面的等效声压反射系数；
r₂ —
在主发射器发射状态不变的情况下，根据计算结果调整辅助发射器驱动电信号的幅度和
相位后，辅助发射器表面的等效声压反射系数；
T —— 样品的声压透射系数；
t —— 水媒质的温度，单位为摄氏度(℃);
U. 未知的辅助发射器驱动电信号电压幅值，单位为伏(V);
U。 —— 输入到辅助发射器的电信号电压幅值，单位为伏(V);
U。 — 特定的辅助发射器驱动电信号电压幅值，单位为伏(V);
UR — 声压反射系数的扩展测量不确定度；
— 声压透射系数的扩展测量不确定度；
UER - 回声降低的扩展测量不确定度，单位为分贝(dB);
Un—— 插入损失的扩展测量不确定度，单位为分贝(dB);
U。 —— 吸声系数的扩展测量不确定度；
α ——样品的吸声系数；
δ ——设定的理想吸声器应达到的表面等效声压反射系数；
λ ——行波管中水媒质的声波波长，单位为米(m);
t。 — 样品的声压透射系数复数量。
测量装置一般包括行波管、电子测量仪器、辅助系统等，其组成如图1所示。
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图 1 测量装置组成框图
行波管要求如下：
a) 行波管内部充满除气水，样品安装于行波管中部；
b) 发射换能器包括主发射器和辅助发射器，分别安装于行波管两端；
c)
两个水听器组分别安装在样品前后的管壁上，其敏感元件应置于行波管轴线附近，水听器支架
对声场的影响可忽略；
d)
温度传感器应安装于管中能够准确测量样品附近媒质温度的位置，对声场的影响可忽略；
e)
行波管的注水和排水管路一般安装在行波管两端，且对声场影响可忽略的位置。
电子测量仪器由下列组成：
a) 双路信号源，提供幅值、相位单独可控的测量信号源；
b)
两台功率放大器，输入信号由双路信号源提供，驱动主发射器和辅助发射器工作；
c) 接线盒接入多路水听器，电信号输出到多路前放滤波器；
d) 多路前放滤波器对每路水听器输出的弱电信号进行调理；
e) 多路信号采集器对经调理后的多路水听器接收信号进行同步采集处理；
f) 计算机用来安装专用测量软件，测量时实施对电子仪器的程控；
g) 示波器用于发射和接收信号的监测。
辅助系统由下列组成：
a) 控制系统：集中或独立控制变温系统、变压系统和液压机械系统；
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b)
变温系统：完成行波管中水媒质温度调节控制；在一定时间内保持管中水温恒定；
c) 变压系统：对管中进行压力调节，控制试压泵和高压阀门；
d) 液压机械系统：通过控制该机构实施行波管的密封锁紧、开启等机械运动。
行波管法测量原理示意图如图2所示。行波管两端安装主发射器和辅助发射器，被测样品放置在
行波管中部，将行波管分成上下两个区域，按一定规则各布置至少2个水听器，组成一对，行波管下部离
开样品方向水听器编号依次为1号、2号，上部离开样品方向水听器编号依次为3号、4号。
行波管工作时，位于下端的主发射器发射正弦声波，垂直入射到样品表面。位于上端的辅助发射器
发射特定幅值和相位的同频正弦声波，抵消入射到辅助发射器表面的声波。使样品的透射声波在行波
管上端不形成声反射，等效于辅助发射器表面的声压反射系数接近于零，使上段声管中产生类似自由场
一样的行波，用双水听器传递函数法解算被测样品的入射、透射和反射声波声压对应的输出电压，测量
被测样品的声压反射系数、声压透射系数，然后导出回声降低、插入损失和吸声系数等水声材料声学性
能参数。
style="width:4.39322in;height:6.46008in" />
图 2 行波管法测量原理示意图
为了能够用双水听器传递函数法准确计算管中样品的声压反射系数和声压透射系数，应在行波管
中建立行波场。在低到赫兹频段的管中行波场建立一般宜采用下述有源消声方法，但不仅限于此方法，
行波场建立的原理及步骤如下：
a)
在行波管内一定媒质温度、静水压状态下，仅主发射器发射声波，辅助发射器不发射声波，采集
水听器位置声场的声压，计算行波管上部水听器组的传递函数H
,采用双水听器传递函数法
测量得到辅助发射器表面的声压反射系数为ro,如式(1)所示：
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style="width:6.22678in;height:0.69322in" />
………………
(1)
b)
主发射器和辅助发射器同时工作时，辅助发射器表面等效声压反射系数如式(2)所示：
style="width:1.77991in;height:0.67342in" /> ( 2)
c)
在主发射器发射状态不变的情况下，辅助发射器由特定幅度和相位的电信号U。驱动，此时辅
助发射器表面的等效声压反射系数 ri, 可由式(2)得到式(3)和式(4):
style="width:3.40013in;height:0.68662in" />
style="width:1.60008in;height:0.57992in" />
………………
……………
……… (3)
………… (4)
d) 假设当输入功率放大器2的信号为 U,
时，达到了有源消声的理想情况，则辅助发射器表面的
等效声压反射系数表示为式(5),当 r₁ 取0时可求得式(6):
r₁=ro+M'U (5)
style="width:1.37321in;height:0.5401in" /> (6)
e) 由功率放大器2输出电信号U,
驱动辅助发射器，根据式(1)测量得到此时辅助发射器表面等 效反射系数r₂ 。
如果 \|r₂I≤δ, 一般δ取0.05,则可认为管内样品透射波声场中只存在单方向
传播的行波。
当声管中行波场建立后，采集水听器位置声场的声压，计算行波管上部和下部水听器组的传递函数
Hm, 由式(7)、式(8)、式(9)和式(10)计算样品的声压反射系数R
和声压透射系数T (以1号、2号水听
器组和3号、4号水听器组采集声信号为例),然后由式(11)、式(12)得到回声降低ER
和插入损失IL,
由式(13)得到吸声系数α。
style="width:6.27335in;height:0.70004in" /> (7)
R=\|r,\| (8)
style="width:6.76675in;height:0.67342in" /> (9)
T=\|tpI (10)
ER =20lg(1/R) (11)
IL=20 lg(1/T) (12)
α=1 R² T² (13)
根据波导理论，圆柱形行波管内沿管轴方向传播平面波的条件和测量频率有关，测量频率上限
f₁
取决于行波管内半径a, 由式(14)表示：
style="width:1.55996in;height:0.60654in" /> (14)
当发射换能器表面的振速分布中心对称时，测量频率上限f₁
可提高，由式(15)表示：
style="width:1.55335in;height:0.61996in" /> (15)
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测量频率上限f:
还与水听器组的间距l 有关，应满足6.4.3的要求。
行波管法测量频率下限f₂ 与水听器组的间距l 有关，应满足6.4.3的要求。
根据空间采样定理和双水听器传递函数法测量原理，行波管中水听器组间距应满足式(16):
style="width:2.27992in;height:0.61996in" /> (16)
行波管法测量时应根据测量频率选择合适间距的水听器组，每一对水听器组测量的频率范围是固
定的，为了覆盖一定宽度的测量频率范围，
一般需要几对水听器组合，由式(17)计算测量频率范围：
style="width:2.37998in;height:0.64658in" /> ………… …………… (17)
根据行波管法测量原理，辅助发射器表面的等效声压反射系数是通过测量双水听器传递函数得到
的，该方法在理论上存在一定的局限性：在某些频率点，当某个水听器处于驻波声场波谷或波峰的位置
时，声压变化剧烈，双水听器的传递函数幅值处于极小或极大值，相位量变化剧烈，使声压反射系数的计
算误差较大，可能导致行波场形成计算时稳定性差或不收敛，在声管中建立不起行波场，可以通过增加
水听器数量来拓宽可测量频率范围。在水听器已经固定安装的条件下，推荐对测量频率点作适当的左
右微调解决上述问题，如式(18)所示：
style="width:1.99341in;height:0.68002in" /> (18)
调整次数j 取1、2和3,调整频率后根据6
.2进行行波场的建立。如行波场建立完成，即可进行样
品声压反射系数和声压透射系数的计算。如6次微调均不能建立行波场，则放弃该频率点的测量。
行波管应满足下列要求：
a)
行波管为不锈钢材质，壁厚应均匀，内壁应光洁，管壁厚度与管内半径之比应不小于1;
b) 行波管的内半径由测量频率上限决定，应满足式(14)或式(15)的要求；
c) 行波管的有效长度由测量频率下限决定，应满足式(17)的要求；
d) 管内应充除气水，样品安装于行波管中部。
发射换能器包括主发射器和辅助发射器，安装于行波管的两端。应符合下列要求：
a)
发射换能器应采用平面活塞型发射换能器，辅助发射器发射面外径与行波管内径之间的间隙
应不大于2 mm;
b) 在测量频率范围内，发送电压响应级应不小于120 dB,
或发送电流响应级应不小于125 dB;
c) 在变温、变压测量条件下，应有良好的温度稳定性及压力稳定性；
d) 主发射器、辅助发射器安装时应与行波管之间采用去耦设计。
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水听器应符合下列要求：
a)
水听器声中心应位于管体轴心位置，其外形尺寸应尽量小，对声场的干扰可忽略；
b) 测量频率范围内接收灵敏度频响：起伏不大于±1.0 dB;
c) 接收灵敏度级：不小于—205 dB;
d) 灵敏度幅值一致性：优于±1.0 dB;
e) 灵敏度相位一致性：优于±1.5°;
f) 水听器安装时应与行波管之间采用去耦设计。
样品应符合下列要求：
a) 样品应制成圆柱形，圆柱度应不大于0.5 mm,
样品与行波管内壁的间隙应不大于1.0 mm;
b) 样品厚度及表面结构应不影响行波管法测量为宜，测量前应记录样品厚度；
c) 样品应至少包含一个声学结构。
电子测量仪器应符合下列要求：
a)
双路信号源应为可同步的、独立控制信号幅值、相位和频率等参数的双通道信号发生器或两台
接联的信号发生器，频率分辨率应优于0.001 Hz;
b) 多路信号采集器的A/D
分辨率至少为16位，采样率应不小于行波管最高工作频率的10倍；
c) 多路前放滤波器用于信号调理，增益至少为20 dB
以上，应过滤测量频率范围以外的低频噪声 和高频干扰信号；
d) 在测量频率范围内功率放大器和发射换能器应有较好的阻抗匹配，1 h
内输出信号幅值波动 应不超过±1%。
建议变温系统的一般技术要求如下：
a) 变温范围：4℃~40℃(适用的环境温度为5℃~35℃);
b) 温度波动：恒温循环状态下温度波动不超过±0.5℃;
c) 保温性能：变温系统停止工作，停止恒温循环时温度变化不大于±1℃/h。
建议变压系统的一般技术要求如下：
a) 最高压力：10 MPa (适用于变温范围);
b) 压力传感器和压力表应经过校准，指示分辨率0.1 MPa;
c) 保压指标：在压力点上变化速率应不大于5%/h(停止压力调节控制);
d) 应有压力安全机构，超出预设压力点和最高压力点应能自动泄压。
提供10 MPa
液压站作为动力源，控制系统通过控制液压缸和液压马达等机构实现行波管的密封、
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锁紧和开启等运动。
环境条件应满足下列要求：
a) 实验室环境温度：5℃~35℃;
b) 实验室环境相对湿度：不大于85%;
c) 环境噪声和电磁干扰应满足校准检测实验室有关要求。
被测样品至少应做如下准备：
a) 用游标卡尺测量被测样品的直径和厚度(或高度)并记录；
b) 样品表面应清洗擦拭干净，并放入水中浸泡至少12
h,使样品表面充分浸润；
c)
将被测样品稳定固定在测量支架上，然后一起放入行波管内，应避免样品在管中脱落。
行波管及辅助系统应做如下准备：
a) 蓄水罐、恒温水箱和行波管应作定期清洁，保证水质纯净；
b) 行波管中应充满纯净的除气水，首次注水或换水后应稳定至少24
h,使管壁与水媒质充分 浸润；
c)
管中放入核查标准或被测样品，根据测量水温要求，开启温控系统控制管中水温到规定值，并
建议继续保持设定水温2 h 以上，使管壁温度接近媒质温度；
d) 通过静置、抽真空、加压或其他方式消除管内残留气泡；
e) 记录水媒质的温度t 和静水压P。
测量程序流程如图3所示。
所有频率点测量完毕后，应根据需要改变测量压力点和水温，继续全频段的测量，通常按先改变水
温再改变压力的顺序进行测量。测量步骤如下：
a) 开启装置的电子测量仪器，预热30 min;
b)
运行测量软件，记录详细的测量信息，包括用户信息、样品信息和环境信息等，设置测量频率，
记录当前的水温t 和静水压P;
c)
调节功率放大器1和2的输出增益到合适值，用示波器监测功率放大器的输出信号，保证信号
不失真；
d) 调节多路前放滤波器增益，保证20 dB
以上的输出信号信噪比，且仪器不过载；
e)
运行测量软件进行信号采集，完成行波场建立，然后进行声性能参数的测量；
f) 存储当前水温和水压条件下的样品声学参数测量结果；
g) 控制系统调节水压到下一个测量压力点，重复 b)～f)过程；
h) 控制系统调节水温到下一个测量水温点，重复 b)～g)过程；
i) 完成所有水温点、水压点和频率点的测量以后，对行波管进行泄压操作；
j) 通过控制系统操作液压机械系统，开启行波管，取出被测样品；
k) 测量结束，出具测量报告。
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style="width:11.14722in;height:7.64028in" />
图 3 测量程序流程图
采用本标准规定的方法和推荐的测量装置，在常温、常压下声压反射系数R
和声压透射系数T 的 扩展测量不确定度UR 和 Ur 均不大于0.1(k=2),
对应的回声降低 ER 和插入损失 IL 的扩展测量不
确定度Uk 和 Un 均不大于1.5 dB(k=2), 吸声系数α的扩展测量不确定度U。
不大于0.2(k=2)。
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