實驗名稱：水下聲學(xue)器(qi)件定(ding)向發射性能實驗

　　研究方向：聲(sheng)學超(chao)材料、五(wu)模超(chao)材料、定(ding)向發(fa)射

　　實驗目的：驗證水聲(sheng)環(huan)境下基于五模材料填充(chong)的異形龍伯透鏡器件(jian)的定向發射性能。

　　測試設備：信號(hao)發(fa)生器(qi)，ATA-214功率放(fang)大(da)器(qi)，聲源換能器(qi)、水聽器(qi)、數據(ju)信號(hao)采集系統等。

　　實驗過程：基于聲學發(fa)射(she)和接(jie)(jie)收的(de)互異性，本次實驗選擇對定向接(jie)(jie)收性能進行(xing)實驗。實驗測(ce)量系統布置(zhi)方(fang)(fang)面，聲學器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)以(yi)及(ji)測(ce)量器(qi)(qi)(qi)(qi)材布置(zhi)如圖(tu)一所示，待測(ce)的(de)水(shui)下聲學器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)放置(zhi)于水(shui)深350mm處，器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)左(zuo)側同一深度(du)上放置(zhi)有(you)換能器(qi)(qi)(qi)(qi)，通過(guo)連接(jie)(jie)信號發(fa)生器(qi)(qi)(qi)(qi)以(yi)及(ji)ATA-214功率放大器(qi)(qi)(qi)(qi)對揚聲器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)發(fa)射(she)信號進行(xing)控制。器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)后方(fang)(fang)同一深度(du)上放置(zhi)懸掛一水(shui)聽器(qi)(qi)(qi)(qi)，由步(bu)進電機進行(xing)控制，使水(shui)聽器(qi)(qi)(qi)(qi)在水(shui)池寬度(du)方(fang)(fang)向進行(xing)橫移，水(shui)聽器(qi)(qi)(qi)(qi)同數(shu)據信號采(cai)集系統連接(jie)(jie)，水(shui)聽器(qi)(qi)(qi)(qi)將接(jie)(jie)收到的(de)聲信號轉化為電信號，最(zui)終在電腦中利用數(shu)據分(fen)析軟件(jian)(jian)進行(xing)采(cai)集和分(fen)析。

　　圖一水下實驗(yan)布置(zhi)示意圖

　　圖二實際水下實驗布置圖

　　實驗(yan)裝置(zhi)本(ben)次器件(jian)定向發射實驗(yan)是(shi)在(zai)(zai)位于(yu)華中科技大學(xue)(xue)船舶與海洋工程學(xue)(xue)院的(de)(de)結構實驗(yan)室內(nei)的(de)(de)水(shui)(shui)池進(jin)行(xing)的(de)(de)，實驗(yan)室內(nei)環(huan)境(jing)噪聲(sheng)較低。該(gai)(gai)實驗(yan)需要滿足近似平面(mian)波(bo)(bo)條(tiao)(tiao)件(jian)和穩態散射條(tiao)(tiao)件(jian)。本(ben)次實驗(yan)的(de)(de)脈沖(chong)正(zheng)弦波(bo)(bo)頻率為(wei)(wei)40kHz，波(bo)(bo)長(chang)為(wei)(wei)37.5mm，約為(wei)(wei)水(shui)(shui)池深度(du)(du)的(de)(de)百分(fen)之五，基(ji)本(ben)滿足近似平面(mian)波(bo)(bo)條(tiao)(tiao)件(jian)。穩態散射條(tiao)(tiao)件(jian)方面(mian)，本(ben)次實驗(yan)采用脈沖(chong)正(zheng)弦波(bo)(bo)對(dui)模(mo)(mo)型(xing)進(jin)行(xing)發射，并在(zai)(zai)采集到的(de)(de)回(hui)波(bo)(bo)中分(fen)析濾波(bo)(bo)后的(de)(de)波(bo)(bo)形(xing)部分(fen)。水(shui)(shui)下(xia)聲(sheng)學(xue)(xue)器件(jian)模(mo)(mo)型(xing)最長(chang)處(chu)(chu)為(wei)(wei)100mm，最寬(kuan)處(chu)(chu)為(wei)(wei)114mm，底邊(bian)寬(kuan)度(du)(du)為(wei)(wei)62mm，高度(du)(du)為(wei)(wei)10mm，上下(xia)放(fang)置(zhi)有(you)兩(liang)片(pian)厚度(du)(du)為(wei)(wei)1mm的(de)(de)薄片(pian)。該(gai)(gai)器件(jian)所用的(de)(de)材(cai)料為(wei)(wei)光敏樹脂，其密度(du)(du)為(wei)(wei)1140kgm-3，楊氏模(mo)(mo)量為(wei)(wei)2.2GPa，泊松比(bi)為(wei)(wei)0.4。超材(cai)料幾何參數方面(mian)，晶(jing)胞(bao)最大長(chang)度(du)(du)a=2mm，空腔的(de)(de)寬(kuan)度(du)(du)d=0.201mm，相(xiang)鄰空腔的(de)(de)角寬(kuan)度(du)(du)ɑ=60°。

　　圖三水下(xia)聲學器件示意圖

　　實驗結果：針對(dui)(dui)(dui)水下(xia)環境異形龍伯透(tou)鏡器(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)聲(sheng)波(bo)接收實(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)，對(dui)(dui)(dui)測量數據進(jin)行處理，得到(dao)20kHz至(zhi)(zhi)40kHz頻(pin)率范圍內的(de)(de)(de)(de)頻(pin)域(yu)信號。分別對(dui)(dui)(dui)23kHz、27kHz、31kHz以及(ji)34kHz四個頻(pin)率下(xia)，器(qi)件(jian)(jian)定向接收的(de)(de)(de)(de)聲(sheng)壓(ya)增幅(fu)曲線進(jin)行了繪圖(tu)(tu)，并(bing)同相(xiang)應的(de)(de)(de)(de)有(you)限元仿真(zhen)(zhen)(zhen)結果(guo)進(jin)行了對(dui)(dui)(dui)比(bi)，如(ru)圖(tu)(tu)四至(zhi)(zhi)圖(tu)(tu)七所示。分析曲線可以發(fa)現，實(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)和(he)仿真(zhen)(zhen)(zhen)結果(guo)的(de)(de)(de)(de)曲線趨勢較(jiao)為接近，中部(bu)測點（器(qi)件(jian)(jian)底(di)邊中部(bu)）處具有(you)峰(feng)值(zhi)，部(bu)分測點處實(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)和(he)仿真(zhen)(zhen)(zhen)結果(guo)在數值(zhi)上(shang)有(you)一定差異。波(bo)峰(feng)半(ban)能量寬度方(fang)面(mian)，實(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)值(zhi)略大(da)于仿真(zhen)(zhen)(zhen)值(zhi)，23kHz附近實(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)值(zhi)較(jiao)大(da)，34kHz附近實(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)值(zhi)同仿真(zhen)(zhen)(zhen)值(zhi)對(dui)(dui)(dui)應較(jiao)好(hao)。總體上(shang)分析，實(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)際器(qi)件(jian)(jian)在23kHz至(zhi)(zhi)34kHz范圍內實(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)現了對(dui)(dui)(dui)平面(mian)波(bo)的(de)(de)(de)(de)匯聚(ju)，根據聲(sheng)學發(fa)射(she)和(he)接收的(de)(de)(de)(de)互異性(xing)，器(qi)件(jian)(jian)聲(sheng)學定向發(fa)射(she)的(de)(de)(de)(de)特性(xing)通過該實(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)得到(dao)了間接證明(ming)，在實(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)上(shang)證明(ming)了該水下(xia)定向發(fa)射(she)器(qi)件(jian)(jian)設計(ji)的(de)(de)(de)(de)有(you)效(xiao)性(xing)。

　　放大(da)器(qi)在(zai)該(gai)實驗(yan)中(zhong)發揮的效能：精準可控功(gong)率放大(da)器(qi)