自由场条件下测量声学材料斜入射复反射系数的Fourier变换法研究

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测量声学是声学学科的重要分支,它所采用的技术手段和方法来源于数学、统计学、计算机控制理论和信号处理技术,并与应用声学融合在一起直接为工程应用和社会生产实践服务。测量斜入射情况下的复反射系数试验,在计算机技术没有充分发展以前,主要是通过测量装置或系统不间断地适时调整来实现的,因而测量精度及效率受到很大影响。在上个世纪八十年代,G.V.Frisk等人在研究海底声散射问题时,提出了空间Fourier变换法测量海底复反射系数的想法,之后跟Williams等人的近场声全息技术和Weinreich等人的辐射声场近场测试技术和结合形成了演化后的Fourier变换法测量斜入射复反射系数的概念。 本论文的研究工作提出了比较完整的Fourier变换法测量理论和试验方法。它通过测量靠近声学试样表面两个平行平面上的复声压分布,并通过二维的Fourier变换将每一测量平面上的复声压分布转换成波数域上的平面波波元。根据平面波在自由场中的传输理论,可用数学方法将声学试样表面的入射平面声波和反射平面声波分离开来。这样就可以计算出任意入射角度下的复反射系数。 本文通过严格的数学推导,得到了单极子声源和偶极子声源在自由场空间的解析表达式后,用数值模拟的方法考察了本方法针对有限测试面积Delany—Bazley型试样的测量误差。它表明该测试方法是非常有效的,并且使用有指向特性的偶极子声源可以极大地降低测量误差。 论文还详细介绍了在半消声室内使用本方法的实验验证和小尺度试样声管校核试验的情况。无论是离心玻璃棉板本身,还是由其和空腔复合而成的结构,使用本方法都怪得了比较一致的结果。该试验不仅得到了0°~90°入射角范围内的复反射系数,还显示出存在某一入射角度时的全透射现象,这与经典的声学理论相吻合。 通过系统的误差分析,本论文的研究结果表明:该方法存在的测量低频下限是由于被测试样的尺度限制引起的;同时扬声器在高频时的不对称性和指向性旁瓣也决定了使用本测量方法的高频上限。误差分析也给出了其它测量参数的设置对测量精度的影响,其定量关系和定性的结论对于今后进行类似的试验有十分明确的参考价值。 本论文的工作提出了本课题进一步研究的两个发展方向。第一,通过保角变换将有规则外形的大型构件转换成另一坐标系中的平面,然后进行Fourier变换测量分析,可在降低试验成本的基础上对工程构件进行现场测算。第二找出空气声学和水声学的相似准则,将这种测量方法向水声学转化,所得测量结果能够为潜艇目标强度估算等课题提供真实可靠的模拟数据,因而具有重要的军事意义。
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