水下弥散声场构建机理及应用

A method of constructing diffuse sound field in enclosed space using multiple sound sources for low-frequency hydrophone calibration in non-anechoic pools is proposed in this project. Owing to the non-uniform sound field distribution at low frequency band, the hydrophone calibration method in non-anechoic pools can only be used at high frequency band at present. The method proposed in this project may help improve the uniformity of the low-frequency sound field. To develop such a technique, the characteristic of sound field produced by multiple sound sources in a non-anechoic pool is analyzed. Combined with the comparison measurement technology in reverberation field, the method and measuring system of low-frequency hydrophone calibration in non-anechoic pools is established and verified by experiment. The low-frequency narrowband measurement performance and applicable conditions of the system are analyzed. The proposed method provides a new measurement technology for low-frequency hydrophone and hydrophone array calibration and help expand the application of low-frequency measurement in non-anechoic pools.

为了利用非消声水池对水听器进行低频、窄带校准，本课题提出了一种控制多声源激励封闭空间声场构建弥散声场的方法。目前，水听器灵敏度的非消声水池校准方法只能适用于水池的高频混响频段，水池低频声场声能密度的非均匀性制约了计量应用。在非消声水池中人工构建弥散声场，或将解决这一问题。本课题通过研究封闭空间中多声源激励下的声场特性和封闭空间声场要素对声场弥散性的影响规律，掌握封闭空间声场弥散性的影响因素及机理，明确低频弥散声场形成机制，结合混响声场比较法测量技术，建立基于弥散声场测量原理的水听器非消声水池校准方法，并实验验证所提方法的可行性；构建水下弥散声场测量系统，用于水听器低频快速校准，分析所构建系统的窄带测量性能和适用条件，为解决水听器或水听器阵的低频校准问题提供一种新的测量技术手段，也为提高非消声水池声场弥散性、拓展非消声水池低频计量应用提供科学依据。

本课题以提高水池声场的弥散性进而应用其进行声学测量为目的，通过研究非消声水池声场环境的弥散性及其影响要素，掌握了封闭空间声场要素对声场弥散性的影响机理，最终实现了水听器的弥散声场校准应用。. 研究工作是以封闭空间声场简正波理论为基础，采用有限元仿真建模建立声场模型，并进行数值计算和解析计算的相互校核，通过验模实验，进一步验证了数值建模方法的有效性和准确性；研究了不同边界条件对水池声场空间起伏特性的影响，分析了声场弥散性的影响因素。深入研究了多声源激励声场较单声源激励声场对弥散性的改善作用，研究了多声源数目与空间布局方式对声场弥散性的改善程度，掌握了多声源激励方式与改善声场弥散性的对应规律，实验验证了多声源激励构建弥散声场理论的可行性；进一步，提出了一种在非消声水池表面生成起伏界面来提高声场窄带扩散性的方法，对拓展非消声水池的低频应用具有重要的理论及实际意义。. 研究表明：水池体积和壁面结构对声场的弥散性能和低频声场均匀性均有影响；多声源辐射非相关信号能极大的提高声场空间均匀性。本研究提出了基于复杂结构声源在水池空间中移动发射的方法来构建弥散声场的方案。在宽带信号激发，窄带处理的条件下实现了低频窄带弥散声场的构建，设计了一个适用频率在1kHz~6kHz范围内，16Hz带宽内声场空间声能密度起伏率不超过1.0dB的弥散声场，通过声场弥散性评估实验验证了所提出的弥散声场构建方案的可行性。在构建的弥散声场系统中，结合水听器校准原理，完成水听器窄带灵敏度的窄带校准，校准结果的可重复性评价表明，测量不确定度的A类评价小于0.9dB，实现了利用弥散声场系统进行水听器快速校准应用。. 本项目研究成果拓展了非消声水池的应用范围，提高了混响测试技术的测量精度与测试效率，具有广泛的工程应用前景。