實驗名稱：液固弱耦合結構的聲波匯聚測試

研究方向：聲波是目前人類能操縱的、可以在海洋中有效傳遞能量或信息的一種重要載體，因此水聲探測技術在海洋資源勘探、海底地形測繪等領域發揮了重要作用。然而，聲波的能量會在傳播過程中逐漸衰減，降低了水聲探測的靈敏度，嚴重制約著海洋資源勘探、海底地形測繪等的發展。聲波聚焦技術采用不同方法聚焦聲波，使聲波集中在一個空間相對較小、能量密度較高的區域內，當接收換能器布置在該區域時，檢測到的聲信號大大增強，可以提高水聲探測系統的靈敏度。

近年來，聲學超材料的迅速發展為解決傳統聲波聚焦問題提供了新思路，有望實現成本更低、體積更小、結構更簡單的聲聚焦[4]。聲學超材料是一種人工制造的由常規材料組成的復合結構[5-11]，與傳統材料不同，其結構單元尺寸與聲波波長相當（聲子晶體）甚至遠小于波長（聲超材料），宏觀上具有常規材料不具備的特殊聲學性質，如負等效密度/模量、漸變折射率、超大折射率等可實現聲波聚焦的性質。

實驗目的：驗證厚雙板-單縫結構構建液固弱耦合條件，研究水腔狹縫的聲波匯聚特點，分析耦合強弱影響因素并確定雙板-單縫結構的材料與尺寸，實驗驗證雙板-單縫結構的聲波匯聚效果

測試設備：計聲壓采集模塊、功率信號源(ATG-2031)、水聲換能器、雙板-單縫結果+麥克風、數據采集卡

實驗過程：實驗系統框圖如圖2-17所示，上位機產生調制正弦脈沖串信號后發送到功率放大器，驅動水域中的換能器激勵聲場，使用麥克風測量雙板-單縫結構的聲壓，再經采集卡將數據回傳到上位機進行后續處理。將圖2-16(b)中的聲壓采集模塊安裝在結構的狹縫中，麥克風布置在狹縫中心處；將換能器與雙板-單縫結構以一定間隔布置，換能器發聲方向正對圓板板面，如圖2-18(a)左圖所示。測量有雙板-單縫結構時聲壓隨頻率變化的曲線，再利用同一個聲壓采集模塊測量麥克風在相同位置無雙板-單縫結構時聲壓隨頻率變化的曲線。分別在水缸（1.5m×1.5m×2m）和水池（30m×27.5m×3m）進行實驗，現場布置如圖2-18(a)、(b)所示。

采用收發一體的自動掃頻程序完成整個實驗，流程如圖2-19所示。初始化起始頻率后發送正弦調制脈沖信號，同時觸發采集過程；經過一個掃頻時間間隔后停止采集數據并判斷是否達到掃頻的頻率上限，若達到則整個程序停止，未達到則將當前頻率增加一個步長，重新完成信號發送與采集，直到達到掃頻的上限為止。

實驗結果：1)水缸實驗分析水缸實驗時，雙板-單縫結構與聲源間隔為0.6m。將采集所得時域信號通過FFT轉化為電壓（聲壓）隨頻率變化的曲線，如圖2-20(a)所示，為無該結構時同一麥克風2次測量所得曲線。可知10k-12kHz范圍內的電壓-頻率曲線一致性較好；12k-20kHz范圍內的曲線有較大差異。圖2-20(b)為有雙板-單縫結構時用圖2-20(a)中麥克風測得的電壓隨頻率變化的曲線，與圖2-20(a)中無該結構時的曲線形狀相似，無明顯峰值。

分別將不同條件下測得的2次數據取平均，得到圖2-21(a)所示曲線：有雙板-單縫結構的曲線與無該結構時的曲線相差不大，無法觀察到明顯的聲波匯聚放大。將圖2-21(a)中有雙板-單縫結構的電壓與無該結構時的電壓做比值，得到放大倍數隨頻率變化的曲線，如圖2-21(b)所示。可知放大倍數均小于2.5且峰值較多。由于信號的絕對值較小，放大倍數因測量誤差引起的波動可達到2倍以上，聲波匯聚或實驗測量誤差均能引起圖2-21(b)中的峰值出現，在水缸中無法驗證雙板-單縫結構的聲波匯聚。

分析原因可知：出現上述現象是因為水缸內聲波反射嚴重，水缸內的聲場分布極不均勻，麥克風位置的微小偏差會造成所測信號產生較大變化。本實驗需要測量有無雙板-單縫結構時的電壓（聲壓）信號，不可避免的需要兩次布置麥克風，這使得兩種情況下麥克風的位置必然會出現偏差，測得的信號本身會出現較大變化，在此基礎上計算得到的放大倍數失去意義，實驗需要在寬闊水域中進行。

2)水池實驗分析

水池實驗時，雙板-單縫結構與聲源的間隔為1m。4次測量取平均后得到了電壓隨頻率變化的曲線，如圖2-22所示。

分析圖2-22可知，加入雙板-單縫結構后，狹縫中心的信號在13.06kHz處明顯變強，聲波在該頻率下得到了匯聚放大。利用COMSOL仿真得到的匯聚頻率為14.14kHz，與實驗得出的13.06kHz有一定偏差。這是因為加工出的不銹鋼圓板板面不光滑，兩個不銹鋼板上設置有固定支撐結構和通孔；這都對雙板-單縫結構匯聚聲波的頻率造成了一定的影響。

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審核編輯 黃宇