水声声管低频矢量声场校准原理及方法

Underwater acoustic tube is widely applied in low frequency underwater acoustic measurement. It not only can be used for calibrating low frequency underwater acoustic transducer, and also can be used for measuring the acoustic parameter of underwater acoustic material and accessories. The measurement theory of the existing underwater acoustic tube measurement methods including pulse method,standing wave method and traveling wave method are all based on the rigid circular tube waveguide theory, and only mainly measuring pressure. But wave tubes are elastomers (especially for low frequency), acoustic rigid condition is difficult to achieve in practical engineering. Recently, with the development of research on underwater acoustic,the need of measurement on particle velocity is larger so that the theoretical analysis model of measurement methods is different from the actual work requirement. So, the results of measurement have a lot errors or even useless. This project will discuss the distortion of the sound field in wave guide and the influence of the measurement result of sound pressure and velocity caused by the analyte through analyzing the sound wave propagation theory in elastic circular tube wave guide with or without analyte; besides, through verifying theory result and simulation result we can give advices for improving the underwater sound tube low frequency measurement technology.

水声声管在低频水声测量中应用十分广泛，不仅可以用来校准低频水声换能器，还可以用作水声材料及其构件的声学参数测量。现有的水声声管测量方法：脉冲法、驻波法、行波法，测量原理都是基于刚性圆管波导理论建立的，并且主要仅针对声压测量。而实际上声管都是弹性体（特别是低频时），声学刚性条件很难在工程上实现，且随着水声研究工作的发展，近年更加大了对质点振速测量的需求，因此导致这些测量方法的理论分析模型和实际工作要求不相符，测量结果将有较大的误差，甚至失效。 　　本项目将通过对声波在弹性圆管波导中有无被测物时的传播理论分析，讨论其对波导内声场分布所带来的畸变，和对声压与振速测量结果的影响；另外，并通过实验对理论和仿真结果进行验证，从而为改进和提高水声声管低频测量技术提供有效的支撑。

本项目针对声波在弹性圆管波导中的声传播规律，特别是弹性圆管波导中有无被测物（矢量水听器）时对波导内声场分布所带来的畸变及对声压与振速测量结果的影响等问题进行了理论与仿真分析，并通过实验对理论和仿真结果进行了验证，为改进和提高水声声管低频测量技术提供了有效的支撑。.项目研究结果进一步揭示了弹性圆管波导中存在的四种声波产生的物理机理，为水声声管的理论设计与工程应用提供了参考；利用研究结果获得的修正因子，可以将在低频弹性声管中获得的结果修正到与刚性声管中平面驻波声场获得的结果相符合；通过对不同尺度矢量水听器灵敏度的测试，对仿真获得的修正因子的有效性进行了验证，且获得较为理想的效果。.项目研究获得如下结论：（1）矢量水听器放入声管后，管内声压场和加速度场均发生畸变，且在高频段改变较大；不同尺度的矢量水听器对声压场和加速度场的影响不尽相同；与球形相比，大尺度柱形矢量水听器对声压场的畸变影响更大；（2）在弹性圆管中放入不同尺度的矢量水听器后灵敏度修正因子的计算，可以由水声声管形成的驻波场中矢量水听器比较法校准公式获得，用矢量水听器所处声场位置处的加速度与声压比值来定义，其物理意义为声管中的声阻抗倒数。（3）利用灵敏度相关修正因子对在弹性壁管中的不同尺度矢量水听器灵敏度测量结果进行修正后，其灵敏度曲线整体与理论值更为接近，特别是在高频段对大尺度矢量水听器的修正效果更加明显。