實(shí)驗(yàn)名稱：水下聲學(xué)器件定向發(fā)射性能實(shí)驗(yàn)

　　研究方向：聲學(xué)超材料、五模超材料、定向發(fā)射

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>驗(yàn)證水聲環(huán)境下基于五模材料填充的異形龍伯透鏡器件的定向發(fā)射性能。

　　測(cè)試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器，ATA-214功率放大器，聲源換能器、水聽(tīng)器、數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)等。

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：基于聲學(xué)發(fā)射和接收的互異性，本次實(shí)驗(yàn)選擇對(duì)定向接收性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)布置方面，聲學(xué)器件以及測(cè)量器材布置如圖一所示，待測(cè)的水下聲學(xué)器件放置于水深350mm處，器件左側(cè)同一深度上放置有換能器，通過(guò)連接信號(hào)發(fā)生器以及ATA-214功率放大器對(duì)揚(yáng)聲器的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行控制。器件后方同一深度上放置懸掛一水聽(tīng)器，由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，使水聽(tīng)器在水池寬度方向進(jìn)行橫移，水聽(tīng)器同數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)連接，水聽(tīng)器將接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終在電腦中利用數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行采集和分析。

　　圖一水下實(shí)驗(yàn)布置示意圖

　　圖二實(shí)際水下實(shí)驗(yàn)布置圖

　　實(shí)驗(yàn)裝置本次器件定向發(fā)射實(shí)驗(yàn)是在位于華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的水池進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境噪聲較低。該實(shí)驗(yàn)需要滿足近似平面波條件和穩(wěn)態(tài)散射條件。本次實(shí)驗(yàn)的脈沖正弦波頻率為40kHz，波長(zhǎng)為37.5mm，約為水池深度的百分之五，基本滿足近似平面波條件。穩(wěn)態(tài)散射條件方面，本次實(shí)驗(yàn)采用脈沖正弦波對(duì)模型進(jìn)行發(fā)射，并在采集到的回波中分析濾波后的波形部分。水下聲學(xué)器件模型最長(zhǎng)處為100mm，最寬處為114mm，底邊寬度為62mm，高度為10mm，上下放置有兩片厚度為1mm的薄片。該器件所用的材料為光敏樹(shù)脂，其密度為1140kgm-3，楊氏模量為2.2GPa，泊松比為0.4。超材料幾何參數(shù)方面，晶胞最大長(zhǎng)度a=2mm，空腔的寬度d=0.201mm，相鄰空腔的角寬度ɑ=60°。

　　圖三水下聲學(xué)器件示意圖

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：針對(duì)水下環(huán)境異形龍伯透鏡器件的聲波接收實(shí)驗(yàn)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到20kHz至40kHz頻率范圍內(nèi)的頻域信號(hào)。分別對(duì)23kHz、27kHz、31kHz以及34kHz四個(gè)頻率下，器件定向接收的聲壓增幅曲線進(jìn)行了繪圖，并同相應(yīng)的有限元仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖四至圖七所示。分析曲線可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果的曲線趨勢(shì)較為接近，中部測(cè)點(diǎn)（器件底邊中部）處具有峰值，部分測(cè)點(diǎn)處實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果在數(shù)值上有一定差異。波峰半能量寬度方面，實(shí)驗(yàn)值略大于仿真值，23kHz附近實(shí)驗(yàn)值較大，34kHz附近實(shí)驗(yàn)值同仿真值對(duì)應(yīng)較好。總體上分析，實(shí)際器件在23kHz至34kHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)平面波的匯聚，根據(jù)聲學(xué)發(fā)射和接收的互異性，器件聲學(xué)定向發(fā)射的特性通過(guò)該實(shí)驗(yàn)得到了間接證明，在實(shí)驗(yàn)上證明了該水下定向發(fā)射器件設(shè)計(jì)的有效性。

　　放大器在該實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮的效能：精準(zhǔn)可控功率放大器