消声水池中弹性球回声的测量与标定

　　1 引言

　　水声学中, 水下声目标如潜艇、鱼雷、水雷、礁石等是声波的反射体或散射体, 或者两者兼而有之。主动声纳发射的声信号在传播过程中如遇障碍, 将产生散射波。散射波的强度是我们了解被探测目标外形和构造的重要信息, 也是决定声纳有效作用距离的重要因素之一。度量目标对入射波的反射和散射能力的量是目标强度。目标强度可以在海洋中用比较法或者应答器法进行测量, 但是费时费力且背景噪声影响无法消除。如果对小目标采用高频率的入射信号, 同样可以得到目标反射和散射能力的一般规律, 这种方法称为"缩尺法", 北京航空航天大学建立的消声水槽可以提供缩比试验的环境[1]。

　　水下声目标的散射测量工作早在40年代就开始了, 40年代末Wienner研究了刚性物体在水下的声散射问题。50年代Faran开始研究水下弹性金属圆柱体和球体的声散射问题, 指出目标弹性对回声的影响。80年代Dragonette的研究表明, 即使是用碳钨钢材料做的高硬度金属球在水下仍然不能看着是刚性的, 弹性作用对目标回声依然有着非常大的影响, 这种弹性影响在稳态条件[2]下可以使测量的目标强度的变化达到30dB, 因此对目标弹性散射问题的研究变得越来越重要。直至今日, 水下声目标的弹性散射问题已经成为水声学研究的一个重要方向, 其研究成果已经广泛应用军用和民用领域。如在潜艇的低频回声特性研究中一个重要内容就是水下弹性壳体声散射特征的研究。本文介绍了在消声水池中进行的实心钢球声散射的实验研究, 在实验室中利用宽带技术测得的标准金属球回声特性可以作为水下目标测量的标定参考, 这也是实验室水声目标测量的一项基本而又重要的工作。

　　2 实验系统安排

　　试验在一个全尺寸为3m×2.5m×2.5m, 净空间为2.7m×2.3m×2.3m的消声水池中进行, 经检测在消声水池中心正对池壁方向0.81m以上, 频率31.5kHz~150kHz范围内; 对角线方向0.92m以上,频率16kHz~250kHz 范围内, 符合自由场条件[3]。实验使用直径为2cm、3cm、4cm和5cm的四个钢球,频率为170kHz~230kHz, 测量ka值7.12~24.09的钢球弹性散射形态函数值。

　　实验使用PC机、数据采集卡和位移控制设备构成的虚拟仪器测控系统, 如图1所示。声源距目标的距离为1.1m, 声源、水听器和目标处在同一条直线上, 距水面的高度为1.15m。

　　测量时, 信号发生器产生符合要求的正弦信号。该正弦信号经门控调制器进行调制后, 分为两路, 一路直接发送至PC机作为时基参考信号; 一路作为正弦脉冲信号, 经过功率放大器放大后激励发射换能器, 接收水听器接收直达信号声和目标反射声信号, 并发送至PC机。