Способ измерения коэффициента отражения звука от образца материала
METHOD OF MEASURING THE REFLECTION COEFFICIENT OF SOUND FROM A SAMPLE OF MATERIAL

Изобретение относится к испытаниям акустических свойств материалов и может быть использовано для измерения коэффициента отражения звука от образца материала ограниченных размеров в лабораторных условиях при различных углах падения звуковой волны.
Известен способ измерения коэффициента отражения звука, основанный на изменении частоты амплитудной модуляции излучаемого акустического сигнала с целью достижения и фиксации минимального коэффициента модуляции суммарного акустического сигнала, возникающего вследствие интерференции излучаемого и отраженного от исследуемой поверхности акустических сигналов, определении модуля коэффициента отражения по соотношению между коэффициентом модуляции излучаемого акустического сигнала и минимальным коэффициентом модуляции суммарного акустического сигнала, определении фазы коэффициента отражения по отношению несущей частоты к частоте модуляции при минимуме коэффициента модуляции [Г.А. Чуновкин, В.Т. Ляпунов, А.К. Новиков и Ю.М. Еленин. Способ измерения коэффициента отражения звука от поверхности. А.С. 896541, М. Кл. G01N 29/00, Опубликовано 07.01.82 (51). Бюллетень №1].
Известен способ измерения коэффициента отражения звука, принятый за прототип [1], который заключается в возбуждении излучателем сферической бегущей звуковой волны, которой облучают образец материала, изменении частоты облучающего акустического сигнала, регистрации гидрофоном сигнала интерференции облучающей и отраженной образцом звуковых волн, определении коэффициента отражения по максимуму и минимуму зарегистрированного сигнала интерференции.
Недостатками известного способа и способа, принятого за прототип, являются погрешности, обусловленные влиянием звуковых волн, рассеянных на краях образца (краевые эффекты), а также сферичностью облучающей образец звуковой волны, тогда как согласно формулировке определения коэффициента отражения звука, падающая на образец звуковая волна - плоская.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение точности измерения коэффициента отражения за счет облучения образца материала звуковым пучком с плоским волновым фронтом, что позволяет исключить влияние сферичности, падающей на образец звуковой волны, и значительно ослабить влияние волн, рассеянных на краях образца (краевых эффектов).
Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе, заключающемся в облучении образца материала бегущей сферической звуковой волной, регистрации гидрофоном сигнала интерференции облучающей и отраженной образцом звуковых волн, изменении частоты облучающего сигнала, определении коэффициента отражения по максимуму и минимуму зарегистрированного сигнала интерференции задают опорное направление падения на образец плоской звуковой волны, исходя из расположения в эксперименте излучателя, приемника и исследуемого образца устанавливают интервал изменения частоты облучающего сигнала, необходимый для наблюдения максимума и минимума сигнала интерференции; исходя из размеров образца и интервала изменения частоты облучающего сигнала определяют величину шага, количество элементов и координаты узлов плоской решетки, ориентированной по нормали к заданному опорному направлению; сохраняя неизменность положения гидрофона, излучатель последовательно устанавливают в узлах решетки, для каждого положения излучателя образец облучают звуковой волной в диапазоне, перекрывающем установленный интервал изменения частоты, и регистрируют гидрофоном сигналы интерференции облучающей и отраженной образцом звуковых волн, выполняют взвешенное суммирование зарегистрированных гидрофоном сигналов интерференции:
n,m
n,m
∑
∑
где: индекс n,m (n=1,…,N, m=1,…,M) обозначает узел плоской решетки из N×M элементов, u(ƒ) - сигнал интерференции, зарегистрированный гидрофоном при облучении образца из узла n,m; a - коэффициенты взвешивания сигналов интерференции по амплитуде, и получают суммарный сигнал u(ƒ), характеризующий интерференцию падающей на образец плоской бегущей и отраженной образцом звуковых волн; коэффициент отражения определяют по максимуму и минимуму суммарного сигнала интерференции u(ƒ).
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема эксперимента в принятом за прототип способе; на Фиг. 2 - синтез плоской волны источниками сферических волн, образующими двумерную решетку из N×M элементов с шагом d; на Фиг. 3 - расположение излучающей решетки, гидрофона и исследуемого образца материала; на Фиг. 4 - распределения амплитуд звуковых давлений на различных расстояниях от решетки, β=0,66; на Фиг. 5 - изменение фазового фронта пучка с расстоянием от решетки β=0,66; на Фиг. 6 - изменение формы амплитудного фронта звукового пучка с частотой, z=1 м, β=0,66.
Формулировки определений параметров, характеризующих акустические свойства материала (включая коэффициент отражения звука), предполагают, что распространяется плоская бегущая волна. Обеспечить это условие на практике удается далеко не всегда и вместо плоской бегущей волны вынужденно применяют сферическую (или близкую к ней) волну. Такое нарушение требования определений зачастую приводит к тому, что получаемые в эксперименте результаты в большей степени отражают не свойства исследуемого материала, а влияние эффектов, обусловленных конфигурацией эксперимента.
При исследованиях образца материала малого размера существенен вклад краевых эффектов. Если образец большой, возникает проблема интерпретации результатов -вследствие сферичности фронта волны на разные участки образца волна падает и, соответственно, отражается под разными углами. Проблема усугубляется для образцов с рельефной поверхностью или неоднородной внутренней структурой.
На фиг. 1 изображена схема эксперимента в принятом за прототип способе. Показаны облучающая сферическая звуковая волна, отраженная и краевые дифрагированные волны, положение образца материала, излучателя и гидрофона, регистрирующего интерференцию облучающей и отраженной волн.
Поскольку облучающая волна - сферическая, кроме интерференции, создаваемой дифракцией звука на краях образца, свой вклад в погрешность измерений вносит сферичность падающей на образец волны, определяемая радиусом кривизны ее фронта. Чем радиус кривизны меньше, тем больше эта погрешность.
Чтобы получить сферическую волну большого радиуса облучаемый образец следует располагать в дальнем звуковом поле излучателя. Консервативная оценка дальнего поля сферической волны дается в [1]:
2
r≥3L/λ
где r - расстояние дальнего поля, L - размер преобразователя, λ - длина волны.
При размере образца 1 м и длине волны 0,075 м (частота 20000 Гц) излучатель должен находиться на расстоянии, превышающем 40 м. Такое расстояние можно обеспечить только в открытом водоеме. При этом среди прочих трудностей возникают проблемы, связанные с малым отношением сигнал/шум и невозможностью исключить в регистрируемом гидрофоном сигнале интерференции влияние звуковых волн, дифрагированных на краях образца.
Практическую альтернативу измерениям в дальнем поле обеспечивает генерация плоской волны методами ближнего поля. Плоскую волну синтезируют решеткой источников сферических звуковых волн. Плоский волновой фронт, падающий на облучаемый объект, позволяет измерять характеристики объекта для дальнего поля в лабораторном бассейне относительно небольших размеров. В подводной акустике плоские излучающие решетки ближнего поля называют решетками Тротта [1].
Излучатели двумерной решетки, действуя одновременно, синтезируют плоскую звуковую волну в соответствии с классической концепцией Гюйгенса. Поскольку решетка Тротта состоит из конечного числа излучателей, фронт волны будет отличаться от плоского. Близость формируемой волны к плоской обеспечивают надлежащим подбором амплитуд излучения. Для гармонического сигнала частоты ƒ, волновой фронт, создаваемый плоской решеткой из N×M элементов, может быть представлен суммой вкладов излучателей сферических волн (см. фиг. 2):
n,m
n,m
m,n
где: р(х, у z, ƒ) - звуковое давление, создаваемое решеткой в точке х, у, z; p(х, у, z, ƒ) - звуковое давление, создаваемое в точке х, у, z излучателем из узла n, m решетки (n=1,…,N, n=1,…,М); a - коэффициенты взвешивания по амплитуде звуковых давлений, создаваемых излучателем; R - расстояния от узла n, m до точки х, у, z; k=2πƒ/с - волновое число, с - скорость звука в воде, зависимость от времени exp(i2πƒt) опущена.
Если гидрофон расположить между облучаемым образцом и решеткой на расстоянии Δr от образца, как это показано фиг. 3, звуковое поле в месте расположения гидрофона можно рассматривать как результат интерференции облучающей образец плоской звуковой волны и волны, отраженной образцом. Период Δƒ интерференционной осцилляции сигнала, зарегистрированного гидрофоном при изменении частоты облучающей волны, будет составлять с/(2Δr) герц.
Чтобы сгенерировать однородную плоскую волну, расстояние между излучателями должно быть не более 0,8 λ [1]. Этому критерию трудно удовлетворить для коротких волн вследствие трудоемкости и сложности создания большой плоской матрицы с плотной сеткой излучателей. Взаимное влияние близко расположенных излучателей с элементами их крепления приводит к нарушению справедливости замены реального элемента решетки изотропным точечным источником. Эти недостатки преодолеваются заменой решетки сканирующим излучателем.
n,m
n,m
Из формулы (1) следует, что эффекты, возникающие при падении на образец материала плоской звуковой волны, можно получить, разнеся во времени излучение отдельными элементами решетки и обеспечив требуемые фазовые соотношения суммируемых сигналов, например, синхронизацией сигналов по времени излучения. То есть, основываясь на принципе суперпозиции для линейных систем одновременное излучение элементами решетки Тротта можно заменить последовательным излучением одиночным излучателем, помещаемым в узлы решетки. При этом взвешенное суммирование звуковых давлений p(х, у, z, ƒ) в формуле (1) заменяется взвешенным суммированием зарегистрированных приемником сигналов интерференции падающей и отраженной звуковых волн u(ƒ):
Такое суммирование может быть выполнено по окончанию измерительной части эксперимента. Результат суммирования зарегистрированных сигналов интерференции эквивалентен сигналу интерференции при одновременном облучении образца материала всеми излучателями решетки и поэтому неотличим от результата воздействия плоской волны.
Коэффициент отражения определяют по максимуму и минимуму суммарного сигнала интерференции, наблюдаемой при изменении частоты излучения [1].
Замена решетки Тротта излучателем с механическим сканированием для создания виртуальной плоской волны взвешенным суммированием сигналов позволяет составить решетку с любым шагом из любого количества элементов и дает ряд преимуществ, включая экономию на оборудовании, увеличенное пространственное разрешение и устранение взаимного влияния близко расположенных излучателей. Автоматизация процесса измерения не представляет технических проблем и значительной степени компенсирует недостатки, связанные с увеличением продолжительности измерений.
Ниже приведены результаты моделирования, подтверждающие возможность получать приемлемо плоский фронт акустического пучка в интервале частот, обеспечивающем наблюдение интерференционной картины, и в диапазоне расстояний, охватывающем положения излучателя, исследуемого образца и приемника.
n,m
n
m
Для квадратной плоской эквидистантной решетки из 20×20 элементов с шагом 5,5 см между узлами взвешивающие коэффициенты a получали произведением W(ξ, β)⋅W(ξ, β) значений функции окна Тьюки:
n
n
n
n
n
n
m
m
Для решетки с размерами L×L координатам узла x,y (x ∈ [-L/2, L/2], y ∈ [-L/2, L/2]) соответствуют значения аргумента ξ=x/L, ξ=y/L. Управляя параметром β можно изменять форму окна от прямоугольной при β=0 до косинусного окна Ханна при β=1.
На фиг. 4 и 5 изображены распределения амплитуд и фаз звукового давления на частоте 20 кГц, полученные по формуле (1) при β=0,66 для различных расстояний z от решетки.
Сформированный волновой фронт имеет плоскую центральную часть примерно 45×45 см, амплитуды плавно уменьшаются к краям пучка до 8 раз. Это означает что при облучении образца размером 1×1 м влияние краевых эффектов будет уменьшено, как минимум, на 18 дБ. Наилучшие распределения звукового давления при z равных 0,4 и 1 м (неравномерность не превышает ±1,6%). Увеличение неравномерности фронта на промежуточных расстояниях до ±2% можно рассматривать, как несущественное.
Неравномерность фазового распределения фронта достигает наибольших значений для z 0,5 м и 1 м, и не превосходят ±3.5° и ±6.3° соответственно.
Рассмотренный диапазон расстояний позволяет разместить гидрофон и излучатель на расстояниях 0,5 и 1 м соответственно от исследуемого образца.
Диапазон перестройки частоты облучающего пучка должен охватывать частоты по крайней мере одного максимума и одного минимума интерференции падающей и отраженной волн в точке расположения гидрофона.
Для грубой оценки минимально необходимого интервала перестройки частоты воспользуемся соотношением , где Δr - расстояние между гидрофоном и образцом материала. Например, при Δr=0,5 м минимальный интервал перестройки частоты составит примерно 1,5 кГц. На практике, как правило, используют несколько больший интервал, чтобы надежно выделить максимум и минимум интерференции.
Для тех же параметров эксперимента на фиг. 6 приведены результаты моделирования звукового пучка на расстоянии 1 м в диапазоне частот от 12000 Гц до 24000 Гц. На нижней граничной частоте выбранного диапазона неравномерность звукового давления во фронтальной части пучка достигает ±4,4%. Неравномерность уменьшается до ±0,2% на частоте 16000 Гц и возрастает к верхней граничной частоте 24000 Гц до ±2,7%.
Исключив из рассмотрения частоты ниже 16000 Гц получим, что облучающий акустический пучок охраняет приемлемо плоский фронт в частотном интервале шириной 8000 Гц, охватывающем при расстоянии 0,5 м между гидрофоном и образцом материала не менее пяти максимумов и пяти минимумов сигнала интерференции.
Опираясь на принцип подобия можно утверждать, что результаты моделирования, выполненные для решетки в выбранном диапазоне частот, не потеряют справедливости при изменении масштабов эксперимента. Следует учитывать, что изменению шага решетки будет соответствовать пропорциональное изменение верхней и нижней частот ее диапазона.
Выполненное моделирование подтверждает достижимость заявленного технического результата - повышение точности измерения коэффициента отражения за счет исключения влияния сферичности падающей на образец звуковой волны и ослабления влияние волн, рассеянных на краях образца (краевых эффектов), предложенным способом.
Литература
1. Боббер Р. Дж. Гидроакустические измерения/ Пер. с англ. под ред. А.Н. Голенкова. - М: Мир. – 1974.