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中高频下粘弹性材料声学参数测量

作　者: 宋扬
导　师: 杨士莪
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 水声工程
关键词: 粘弹性材料声学参数测量方法反演算法
分类号: TB564
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 389次
引　用: 2次
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内容摘要

随着水声科学与技术的发展，水声材料在军用和民用方面的应用越来越广泛。粘弹性材料是水下吸声设备的主要材料之一，它利用材料的声阻尼作用把接收到的声能转换为热能而消耗掉，降低目标反射强度，甚至消除物体的反射。对材料性能的掌握是进行结构设计的前提，本文针对中高频段上粘弹性材料声学参数测量标准的空白，提出了一种新的测量方法。在自由场条件下，通过测量粘弹性目标中高频段上的散射声场，反演粘弹性材料的动态声学参数。首先建立了水下弹性体目标散射场的物理模型，理论推导出散射声场的解析解。分别对不同材料、不同尺寸、不同频率的目标散射场进行了仿真计算和分析。给出散射场声压模函数的勒让德展开系数的表达式，利用散射声场所含有的目标参数信息，建立以目标的声学参数为变量的数学模型，并用遗传算法反演模型中的参数。数值仿真中，选用了某型号金属铝球作为待测目标，结果显示遗传算法对铝球仿真声场的反演结果精度极高。在对含有衰减系数的橡胶球的仿真中，代价函数对多参数表现出不同的敏感性，对此文中提出参数的敏感性分析方法。为了提高测量精度，文中对多种误差因素进行了分析，针对声场测量中可能存在的声源与目标及水听器之间的距离误差，建立了误差校正模型，修正了散射场的计算公式。实验研究中，选用铝球作为基准目标对其散射声场进行了实际测量，并与仿真结果进行了对比，二者符合较好，将测得的实验数据带入反演模型中，经过误差修正后的参数反演精度明显提高。通过铝球的实验验证，本文提出的材料参数测量方法具有可行性，测量结果具有可靠性。在上面分析的基础上，将此方法应用于某粘弹性材料的参数测量中。选用两个尺寸不同的橡胶球作为待测目标，利用在中高频段上测得的散射场数据，反演了橡胶参数。并在无标准参考值的情况下，用反演的散射场与测量的散射场进行对比来验证结果的可靠性。且所测的橡胶球动态弹性模量随频率的变化趋势，与用粘弹谱仪法获得的某橡胶材料的测量结果一致性较好。本方法避免了常规方法所需的声场相位测量，降低了实验难度，并可同时反演各项参数，提高了测量效率，使材料参数的工程预报更加方便。解决了国际上目前尚未解决的中高频段上粘弹性材料声学参数的测量问题。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-22
  1.1 引言  11-12
  1.2 粘弹性材料声学参数测量方法国内外研究现状  12-20
    1.2.1 振动测量法  12-16
    1.2.2 声学测量法  16-20
  1.3 论文的研究意义和内容  20-22
第2章弹性体目标散射场计算  22-36
  2.1 弹性体目标散射场模型  22-23
  2.2 弹性体散射场的理论计算  23-28
    2.2.1 流体波动方程  23-24
    2.2.2 弹性固体中的波动方程  24-25
    2.2.3 水中弹性体目标的固一液边界条件  25-26
    2.2.4 弹性体散射场解析表达式  26-28
  2.3 散射场声压勒让德展开系数计算方法  28-29
  2.4 弹性体散射场的仿真计算  29-35
    2.4.1 ka值对散射场指向性的影响  29-32
    2.4.2 材料参数对散射场的影响  32-34
    2.4.3 ka值对散射场声压勒让德系数的影响  34-35
  2.5 本章小结  35-36
第3章粘弹性材料声学参数测量方法及仿真  36-58
  3.1 材料的复弹性模量与纵横波参数关系  36-38
  3.2 粘弹性球散射场的波动方程及解析解  38-39
  3.3 粘弹性体材料声学参数测量方法的数学模型  39-40
  3.4 反演方法  40-46
    3.4.1 用于参数反演的遗传算法介绍  41-42
    3.4.2 用于材料参数反演的遗传算法设计  42-45
    3.4.3 解的确定方法  45-46
  3.5 材料参数反演的技术路线  46-48
  3.6 利用散射场反演材料声学参数的方法仿真  48-55
    3.6.1 金属球声学参数反演的仿真计算  48-51
    3.6.2 橡胶球声学参数反演仿真与分析  51-55
  3.7 反演参数的敏感性分析  55-57
  3.8 本章小结  57-58
第4章实验误差校正方法  58-64
  4.1 含有测量误差的校准模型  59-60
  4.2 误差修正方法  60-61
  4.3 修正方法的仿真  61-63
  4.4 本章小结  63-64
第5章测量方法的实验研究  64-79
  5.1 金属弹性体散射场指向性测量研究  64-75
    5.1.1 测量设备  64-68
    5.1.2 测量方案与过程  68-71
    5.1.3 样品散射场指向性测量结果  71-75
  5.2 样品声学参数实验数据反演结果与分析  75-78
  5.3 本章小结  78-79
第6章某种粘弹性材料参数的中高频测试  79-91
  6.1 橡胶球的散射场测量及反演  79-87
  6.2 反演参数的误差确定方法  87-89
  6.3 弹性模量随频率的变化关系  89-90
  6.4 本章小结  90-91
结论  91-93
参考文献  93-104
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  104-105
致谢  105-106
个人简历  106

中高频下粘弹性材料声学参数测量

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