可调频变截面谐振耦合腔有限振幅声压校准理论及其应用基础研究

The testing technology of finite amplitude sound pressure is widely applied in such important fields as aerospace, national defense, medical, etc. However, the calibration technology of finite amplitude sound pressure is still limited to narrowband or single frequency at home and abroad. The project proposes an acoustical resonator with varying cross-sections whose resonance frequency can be adjusted to output the broadband (20-1000 Hz) finite amplitude sound pressure (not less than 180 dB), so we can achieve the calibration of high-pressure microphone. The contents of the project include: researching the theory of finite amplitude standing wave field in the adjustable acoustical resonator with varying cross-sections, the nonlinear dynamics calculation model of sound field in the resonator, the distribution of finite amplitude sound pressure in the resonator, the distortion mechanism of sound pressure in the resonator; and researching the design theory of the adjustable acoustical resonator with varying cross-sections, the calculation method of the resonant frequency and the resonant characteristics of the acoustic field; and researching the absolute measurement theory of finite amplitude sound pressure in the resonator based on the Laser Doppler Velocimetry; and developing an intelligent prototype of finite amplitude sound pressure calibration device for high-pressure microphone. The achievements of the project will be applied in the primary calibration of high-pressure microphone, and will contribute to the development of microphone technology and the development of the fields as geophysics, national defense technology eventually.

有限振幅声压测试技术广泛地应用于航空航天、国防、医疗等重要领域，然而目前国内外有限振幅声压校准技术还局限于窄带或单一频率点，本项目提出一种谐振频率可调的变截面谐振耦合腔结构，实现有限振幅声压（180dB以上）的宽频带（20-1000Hz）输出，从而完成对高声压传声器的校准。项目研究内容包括：研究可调变截面谐振耦合腔内有限振幅驻波场理论，建立耦合腔内声场的非线性动力学计算模型，研究耦合腔内有限振幅驻波的声压分布规律，研究耦合腔内声压波形失真机理；研究可调变截面谐振耦合腔的相关设计理论，研究耦合腔谐振频率的计算方法和声场的谐振特性；研究基于激光多普勒测速原理的谐振耦合腔内有限振幅声压的绝对测量理论；研制一套适用于高声压传声器的智能型有限振幅声压校准装置样机。本项目成果将应用于高声压传声器的绝对校准，并最终为传声器技术以及由此而带来的地球物理学科、国防科技等领域的发展做出贡献。

近年来，谐振耦合腔技术被用于产生高声压级驻波场，已有变截面谐振耦合腔在一阶共振频率激励下获得184dB极高纯净驻波场的报道，但其只能实现在特定频率下的纯净声场。此外，目前尚有的报道中，缺乏一般化的方法指导设计能够产生高振幅、低失真的声场的谐振耦合腔。因此，对谐振耦合腔技术进行研究具有重要的理论和实际意义。项目针对目前谐振耦合腔技术研究中存在的问题，以实现传声器在有限振幅声压下宽频带范围内的原级校准为目的，对两级突变截面谐振耦合腔中的非线性耗散本质机理和声场的影响因素进行研究，并提出可调频两级突变截面谐振耦合腔的设计方法。.(1)建立了两级突变截面谐振耦合腔的谐振频率计算方程。首次提出两级突变截面谐振管的频率计算方程，基于该方程研究了两级突变截面谐振管的尺寸参数对谐振频率的影响，指导设计各阶谐振频率不均匀分布的谐振管尺寸。.(2)建立了两级突变截面谐振耦合腔内声场的一维理论计算模型。初步研究了谐振管在第一阶谐振频率激励下管内的声压波形和一维声压分布。结合频率计算方程，设计能够产生高声压、低失真的两级突变截面谐振耦合腔的尺寸。.(3)提出了两级突变截面谐振耦合腔内声场的有限体积法数值计算方法。仿真计算了谐振管在第一阶谐振频率激励下管内的声场，验证一维理论计算模型的正确性和可行性。.(4)研制了可调频两级突变截面谐振耦合腔，实现了在20-1000Hz频率范围内184dB的高声压、低失真声场的产生。为实现传声器在有限振幅声压下宽频带范围内的原级校准奠定了基础。.(5)研制了一种基于薄膜密封的高声压宽频活塞发声器，为实现更加便捷的高声压发生装置提供了理论基础和技术支持。.项目在国内外高水平刊物上共发表相关研究论文9篇，其中SCI 6篇；申请发明专利4项，授权发明专利5项；申请软件著作版权2项，授权软件著作版权2项。