實驗(yan)名稱：液固弱耦合結構(gou)的聲(sheng)波匯聚測試

　　研究方(fang)(fang)向：聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波是目(mu)前(qian)人類(lei)能操縱的(de)(de)(de)(de)、可(ke)以在海(hai)洋(yang)中(zhong)有效傳遞能量或信(xin)息的(de)(de)(de)(de)一種重(zhong)要載體，因(yin)此水(shui)(shui)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)探測技術在海(hai)洋(yang)資(zi)源勘探、海(hai)底(di)地(di)形(xing)測繪等領域發(fa)揮了重(zhong)要作用。然而，聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波的(de)(de)(de)(de)能量會(hui)在傳播過程中(zhong)逐(zhu)漸衰減，降低了水(shui)(shui)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)探測的(de)(de)(de)(de)靈敏度，嚴重(zhong)制約(yue)著海(hai)洋(yang)資(zi)源勘探、海(hai)底(di)地(di)形(xing)測繪等的(de)(de)(de)(de)發(fa)展。聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波聚焦技術采用不(bu)同(tong)方(fang)(fang)法(fa)聚焦聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波，使聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波集中(zhong)在一個空間相對(dui)較小、能量密度較高的(de)(de)(de)(de)區(qu)域內，當接(jie)收換能器布(bu)置在該(gai)區(qu)域時，檢(jian)測到的(de)(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)信(xin)號大(da)(da)大(da)(da)增強，可(ke)以提高水(shui)(shui)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)探測系統的(de)(de)(de)(de)靈敏度。

　　近年來(lai)，聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)學超材(cai)(cai)料(liao)的迅速發展為解決傳統聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)聚焦問題提供了新思(si)路，有望實現(xian)成本更(geng)低(di)、體積(ji)更(geng)小、結構(gou)更(geng)簡單的聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)聚焦[4]。聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)學超材(cai)(cai)料(liao)是一種人(ren)工制造的由常規材(cai)(cai)料(liao)組成的復合結構(gou)[5-11]，與傳統材(cai)(cai)料(liao)不(bu)同(tong)，其結構(gou)單元尺(chi)寸與聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)波(bo)長相(xiang)當(dang)（聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)子晶體）甚至遠(yuan)小于波(bo)長（聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)超材(cai)(cai)料(liao)），宏(hong)觀上(shang)具(ju)有常規材(cai)(cai)料(liao)不(bu)具(ju)備的特殊聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)學性質(zhi)，如負等(deng)效(xiao)密度(du)/模量、漸變折(zhe)射率、超大折(zhe)射率等(deng)可實現(xian)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)聚焦的性質(zhi)。

　　實驗目的(de)：驗證厚雙板(ban)(ban)-單縫結(jie)構(gou)(gou)構(gou)(gou)建液固弱耦(ou)合條件，研究水腔狹縫的(de)聲波匯(hui)聚特點，分析耦(ou)合強弱影響因素(su)并確(que)定雙板(ban)(ban)-單縫結(jie)構(gou)(gou)的(de)材料與尺寸(cun)，實驗驗證雙板(ban)(ban)-單縫結(jie)構(gou)(gou)的(de)聲波匯(hui)聚效果

　　測(ce)試設(she)備：計聲壓采集模塊、功率信(xin)號源(ATG-2031)、水聲換能(neng)器、雙板-單縫結果+麥克(ke)風(feng)、數據采集卡

　　實(shi)驗過程(cheng)：實(shi)驗系統框(kuang)圖(tu)(tu)如(ru)圖(tu)(tu)2-17所示(shi)，上位機產生調(diao)制正弦脈沖串信號后(hou)發送到功率放大器，驅動水(shui)域中(zhong)(zhong)(zhong)的換能(neng)器激勵聲(sheng)(sheng)場(chang)，使(shi)用麥(mai)克風(feng)(feng)測量(liang)雙板(ban)(ban)(ban)-單(dan)(dan)縫(feng)結構的聲(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)，再經(jing)采(cai)集(ji)卡將數據回傳到上位機進行后(hou)續處(chu)理。將圖(tu)(tu)2-16(b)中(zhong)(zhong)(zhong)的聲(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)采(cai)集(ji)模(mo)塊(kuai)安裝(zhuang)在結構的狹縫(feng)中(zhong)(zhong)(zhong)，麥(mai)克風(feng)(feng)布置(zhi)在狹縫(feng)中(zhong)(zhong)(zhong)心處(chu)；將換能(neng)器與雙板(ban)(ban)(ban)-單(dan)(dan)縫(feng)結構以一定間隔(ge)布置(zhi)，換能(neng)器發聲(sheng)(sheng)方向(xiang)正對圓板(ban)(ban)(ban)板(ban)(ban)(ban)面，如(ru)圖(tu)(tu)2-18(a)左圖(tu)(tu)所示(shi)。測量(liang)有(you)雙板(ban)(ban)(ban)-單(dan)(dan)縫(feng)結構時(shi)聲(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)隨頻(pin)率變化的曲線，再利用同一個聲(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)采(cai)集(ji)模(mo)塊(kuai)測量(liang)麥(mai)克風(feng)(feng)在相同位置(zhi)無雙板(ban)(ban)(ban)-單(dan)(dan)縫(feng)結構時(shi)聲(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)隨頻(pin)率變化的曲線。分別在水(shui)缸（1.5m×1.5m×2m）和(he)水(shui)池（30m×27.5m×3m）進行實(shi)驗，現場(chang)布置(zhi)如(ru)圖(tu)(tu)2-18(a)、(b)所示(shi)。

　　采(cai)用(yong)收發(fa)(fa)一體的自動掃(sao)頻(pin)程序完成(cheng)整(zheng)個實驗，流程如圖2-19所示。初始化起始頻(pin)率后(hou)發(fa)(fa)送(song)正弦調(diao)制脈(mo)沖信號，同時觸發(fa)(fa)采(cai)集(ji)過程；經(jing)過一個掃(sao)頻(pin)時間間隔(ge)后(hou)停止采(cai)集(ji)數(shu)據并判斷是否達到(dao)掃(sao)頻(pin)的頻(pin)率上限，若達到(dao)則(ze)整(zheng)個程序停止，未達到(dao)則(ze)將當(dang)前頻(pin)率增加一個步長，重(zhong)新(xin)完成(cheng)信號發(fa)(fa)送(song)與采(cai)集(ji)，直到(dao)達到(dao)掃(sao)頻(pin)的上限為止。

　　實(shi)驗(yan)結果：1)水缸實(shi)驗(yan)分析水缸實(shi)驗(yan)時(shi)(shi)(shi)，雙(shuang)板(ban)-單縫(feng)結構與聲(sheng)源間隔為0.6m。將采集所得時(shi)(shi)(shi)域信號通過FFT轉(zhuan)化為電(dian)壓(ya)(ya)（聲(sheng)壓(ya)(ya)）隨頻率變化的(de)曲(qu)線(xian)(xian)(xian)(xian)，如圖(tu)(tu)2-20(a)所示，為無(wu)該結構時(shi)(shi)(shi)同一(yi)麥克風(feng)2次測量(liang)所得曲(qu)線(xian)(xian)(xian)(xian)。可知10k-12kHz范圍(wei)內的(de)電(dian)壓(ya)(ya)-頻率曲(qu)線(xian)(xian)(xian)(xian)一(yi)致性較(jiao)好；12k-20kHz范圍(wei)內的(de)曲(qu)線(xian)(xian)(xian)(xian)有較(jiao)大差異。圖(tu)(tu)2-20(b)為有雙(shuang)板(ban)-單縫(feng)結構時(shi)(shi)(shi)用圖(tu)(tu)2-20(a)中(zhong)麥克風(feng)測得的(de)電(dian)壓(ya)(ya)隨頻率變化的(de)曲(qu)線(xian)(xian)(xian)(xian)，與圖(tu)(tu)2-20(a)中(zhong)無(wu)該結構時(shi)(shi)(shi)的(de)曲(qu)線(xian)(xian)(xian)(xian)形狀相似，無(wu)明顯峰值。

　　分(fen)別將不(bu)同(tong)條件下測(ce)得的(de)(de)2次(ci)數據取平均，得到圖(tu)(tu)2-21(a)所(suo)示曲線(xian)(xian)：有雙(shuang)板(ban)-單縫結構(gou)的(de)(de)曲線(xian)(xian)與(yu)無該結構(gou)時的(de)(de)曲線(xian)(xian)相差不(bu)大(da)，無法觀察到明顯的(de)(de)聲(sheng)波匯(hui)聚(ju)放(fang)(fang)大(da)。將圖(tu)(tu)2-21(a)中(zhong)有雙(shuang)板(ban)-單縫結構(gou)的(de)(de)電壓與(yu)無該結構(gou)時的(de)(de)電壓做比值(zhi)，得到放(fang)(fang)大(da)倍數隨(sui)頻率變化(hua)的(de)(de)曲線(xian)(xian)，如圖(tu)(tu)2-21(b)所(suo)示。可(ke)知(zhi)放(fang)(fang)大(da)倍數均小于2.5且(qie)峰值(zhi)較多(duo)。由(you)于信號的(de)(de)絕對值(zhi)較小，放(fang)(fang)大(da)倍數因(yin)測(ce)量(liang)誤差引起的(de)(de)波動可(ke)達到2倍以上，聲(sheng)波匯(hui)聚(ju)或實驗(yan)測(ce)量(liang)誤差均能引起圖(tu)(tu)2-21(b)中(zhong)的(de)(de)峰值(zhi)出現，在水缸中(zhong)無法驗(yan)證雙(shuang)板(ban)-單縫結構(gou)的(de)(de)聲(sheng)波匯(hui)聚(ju)。

　　分析(xi)原因可(ke)知：出(chu)現(xian)上述現(xian)象是因為水缸(gang)內聲波反射(she)嚴重(zhong)，水缸(gang)內的聲場分布(bu)極(ji)不(bu)均(jun)勻，麥克(ke)(ke)風位(wei)置的微小偏差會造成(cheng)所測(ce)信號產生(sheng)較大(da)變化(hua)。本(ben)實驗需(xu)要(yao)測(ce)量有無(wu)雙板(ban)-單縫(feng)結構時的電(dian)壓(ya)（聲壓(ya)）信號，不(bu)可(ke)避免的需(xu)要(yao)兩次布(bu)置麥克(ke)(ke)風，這使得兩種情況下麥克(ke)(ke)風的位(wei)置必然會出(chu)現(xian)偏差，測(ce)得的信號本(ben)身會出(chu)現(xian)較大(da)變化(hua)，在此基礎上計算得到的放(fang)大(da)倍數失(shi)去意義，實驗需(xu)要(yao)在寬闊(kuo)水域中進行。

　　2)水池實驗分(fen)析

　　水(shui)池實驗(yan)時，雙板(ban)-單(dan)縫(feng)結構與聲(sheng)源的(de)間隔(ge)為1m。4次(ci)測(ce)量取平均后得(de)到了電(dian)壓隨(sui)頻率變化的(de)曲線，如圖2-22所(suo)示。

　　分析圖(tu)2-22可(ke)知，加入雙(shuang)(shuang)板-單(dan)縫(feng)結構(gou)后，狹縫(feng)中心(xin)的(de)信(xin)號(hao)在13.06kHz處明顯變強，聲波在該頻(pin)率下得到(dao)了匯聚(ju)放大。利(li)用COMSOL仿真(zhen)得到(dao)的(de)匯聚(ju)頻(pin)率為(wei)(wei)14.14kHz，與實驗(yan)得出的(de)13.06kHz有(you)一定(ding)(ding)偏差。這是因(yin)為(wei)(wei)加工出的(de)不(bu)銹(xiu)鋼圓板板面不(bu)光滑，兩個不(bu)銹(xiu)鋼板上設(she)置有(you)固定(ding)(ding)支(zhi)撐結構(gou)和通孔；這都(dou)對雙(shuang)(shuang)板-單(dan)縫(feng)結構(gou)匯聚(ju)聲波的(de)頻(pin)率造成了一定(ding)(ding)的(de)影(ying)響(xiang)。

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