第1章 绪论
　　混响水池为所有界面都能有效反射声能的非消声水池（或水箱、水槽）。混响水池壁面一般为混凝土结构或贴有瓷砖以提高反射系数，其壁面的反射系数越高越好。
　　声学测量方法除自由场外，空气声学中还有混响法。混响法除了可以测量及评价机械设备的辐射声功率外，还可以测量材料的无规吸声系数。在水下进行声源特性测量及评价应用混响法较少，原因在于未找到有效的测量方法。作者所在团队经过20多年在混响水池声学测量方面的科研，基于空间平均技术建立了混响水池声学测量理论，并根据该理论建立了混响水池测量方法，进而采用该方法解决了水下声源辐射声功率、管路噪声、材料吸声系数的测量及水听器的校准等问题。
　　本章从声学测量角度，介绍了声学测量的方法，列举了混响法中重要的名词术语和定义，为全书打下基础。
　　1.1 声学测量方法概述
　　声学是一个很古老且应用非常广泛的学科，声无处不在，只要有人的地方就有声学的应用。从古至今，到处可见声学研究及研究成果在乐器制作的定音、音乐的*调、发声器具设计、建筑中的声学设计等方面的广泛应用。尤其是20世纪以来，声学的发展在不断地改变着人类的生活，留声机的发明使人类的生活更美妙，增添了许多欢乐；电话的发明解决了人类远距离的语音信息传输，给人类生活带来了很大的方便；现代的移动电话从某种意义上说是一件声学产品，已经成为人们生活时刻不离的伙伴；人们所用的几乎所有的家用电器都有语音功能，可以接收语音指令，可以语音报告状态，如空调、洗衣机、电饭锅等，将来还会有更多可以语音交互的设备；人们的生活中到处可以看到声学的产品，住的房子有声学设计，用的家用电器有声学设计，用的手机、计算机、汽车有声学设计和声学模组，出门会遇到城市环境噪声问题，高架桥上行驶的车辆会对附近居民造成噪声干扰。所有的交通工具在声学工作者的努力下才会更安静，人们去医院看病会用到各种超声检测设备和超声治疗设备，核电站的所有压力容器都需要超声探伤设备定期检测，所有的精密轴承加工后都必须用超声清洗，集成电路元件的焊接需要超声点焊，热电厂锅炉需要超声除尘设备才能冒出白烟，影剧院和音乐厅美妙的效果是声学工作者的杰作，*硬的金刚石只有超声刀可以切割，橡胶制品的抗老化处理需要超声设备，超声可以改变铁水结晶的结构，超声可以改变白酒的醇度，超声可以改变化学反应的速度，等等。海洋观测、海洋探测、海洋监测都离不开声学装备，海军作战离不开作为耳目的声呐，因为声波是目前所知唯一能够在海水中远距离传输的信息载体。凡此种种，都足以说明声、声学、声学技术是人类物质生产活动和人类精神活动必不可少的重要部分。
　　无论声学科学研究还是声学装备研发和生产（也包括振动噪声控制），都离不开声学测量。声学测量是所有声学研究*基础的工作。可以说，没有声学测量便没有声学研究；没有声学测量，减振降噪便无的放矢；没有声学测量，声学设备和仪器便不知其性能；没有声学测量，便无法开展声学技术的应用。声学测量的内容包括声学传感器灵敏度校准和声压测量、声源特性的测量、声场特性的测量等。传感器的校准是声学测量的基础，没有标准传感器则声学测量无从谈起。同样，若不能准确测量声源的特性，声场的特性也同样是做不了的。因此，声源特性的测量成为声学各分支的基础工作，小尺度的声源如乐器、扬声器、超声探伤源等，中等尺度的声源如大型乐器、各种中小型机械设备等，大型声源如飞机、火车、轮船、潜艇等。这些声源一部分是人工制作的声源，如各种乐器、扬声器、超声探伤源等，另一部分是机械电子设备由于运转的不平衡而产生的声辐射，而这一部分声辐射不仅会降低工作效率、减少机械寿命，还对环境造成不良影响，这一类声辐射通常称为噪声，如各种动力机械装置、各种家用电器、各种交通工具等。
　　声学测量的关键是测得准。声学测量并不是一件很容易的事情，需要精密校准的传感器和调理、采集、记录和分析仪器等设备，但更重要的是需要测量环境，并能准确消除环境的影响获得真实测量结果，后者也是声学测量中*难的一部分。
　　声学测量的理想环境是均匀介质无界空间，因为没有边界的反射，测量时可以不用考虑环境修正，因此人们发明了消声室和消声水池。当声源的体积较小（尺度远小于消声室尺度）、频率也比较高（波长远小于消声室尺度）时，消声室和消声水池是满足自由场条件的，声学教科书中已经介绍得很清楚，基于消声室和消声水池的声学测量与计量标准也是比较全的。但是，随着社会进步与发展，人们眼中的声源变得越来越复杂和广泛，原本不太在意的机电设备噪声引起了人们的重视，如潜艇、轮船、飞机、火车、汽车、家用电器、机械生产设备等。20世纪被称作电气化时代，在60年代以前，人们对噪声和环境污染并不是特别在意，对潜艇的水下噪声控制也不是特别重视。随着社会的进步和技术发展，以及人们对于美好生活的向往，要求更高的环境质量，降低噪声污染成为全人类共同的追求。冷战时期，东西方展开激烈军备竞赛，一方面不断提升声呐的探测能力，另一方面则在不断降低潜艇鱼雷的辐射噪声以对抗敌方声呐的探测。现在一些年纪较大的人已经能够体会到家用电器、交通工具、作业机具等机电设备减振降噪的效果。飞机、火车、轮船、潜艇等作为声源，是不可能配以相应的消声室或消声水池以满足声学测量的自由场条件，一是造价太高，二是再多的钱也造不出能满足20Hz的消声水池。这就是说自由场声学测量方法并不总是有效的。
　　空气声学中常用的声学测量设施还有混响室。利用混响室可以快速测量复杂结构声源的辐射声功率和频谱特性。混响室还可以测量面状材料的平均吸声系数。混响室对机械设备的振动噪声控制的贡献很大，提供了快捷的噪声源辐射声功率测量评价手段；混响室对建筑声学贡献很大，它为建筑装饰材料的吸声系数测量提供了*便捷的方法。
　　水声学是声学的一个重要分支，但因为涉及军事应用，一直有一层神秘的面纱，长期以来水声学的主要研究内容都是不公开的，水声学研究领域相对封闭一些。水声学的问题与空气声学中的许多问题有很多相似之处，但也有很多不同，正是这种相似又不同给很多人造成困扰。我国的水声专业自1953年中国人民解放军军事工程学院声呐专业创立开始，从无到有；水声科研生产体系也从20世纪50年代末从无到有发展到当今基本完整的科研生产体系。21世纪被称为海洋世纪，海洋成为科学研究的热门领域，水声目前是水下远距离信息传输唯一有效的技术手段，自然成为*热门的专业领域。
　　水声中测量与计量方法基本是基于自由场测量方法，无论水声换能器校准还是材料声学特性测量。目前，我国舰船噪声的测量方法基本都是在海洋环境下测量舰船经过水听器（或阵）时的通过特性，测量方法分别为单水听器法、单矢量水听器法、垂直阵恒定束宽波束形成法、海底水平阵测量方法等。在海洋环境中进行以上测量，由于受海底海面反射的影响，存在多途效应，不是理想的自由场条件；同时，舰船一般体积较大，如果在近处测量，难以满足远场条件，而如果在远处测量，又难以满足信噪比条件，以上因素导致测量结果不能准确反映声源的特性。
　　水声测量与计量方法中以往基本未采用混响水池法。作者所在团队开展了很多水下复杂声源声学特性研究，包括UUV、降雨、物体入水声、水下爆炸声、水下气泡群发声及水下射流噪声的定量声源特性研究及水声换能器的快速校准方法研究，建立了基于混响水池的声学测量方法，解决了水下大型结构声源声学特性的定量准确评价问题。
　　1.2 若干名词术语和定义
　　1.2.1 平均自由程
　　平均自由程是声波相邻两次反射所经过的平均距离。
　　（1-1）
　　式中，为水池的容积，m3；为水池壁面总面积，m2。
　　声波传播平均自由路程所需的时间t（s）为
　　（1-2）
　　式中，为声波在水中的传播速度，m/s。
　　单位时间内的平均反射次数为
　　（1-3）
　　1.2.2 混响声场及混响水池
　　在《声学名词术语》（GB/T 3947—1996）中，混响声场（reverberation sound field）被定义为：室内稳态声场中主要由反射声和散射声起作用的区域。混响水池为所有界面都能有效地反射声能的非消声水池（或水箱、水槽）。混响水池壁面一般为混凝土结构或贴有瓷砖以提高反射系数，其壁面的反射系数越高越好。当把声源置于混响水池中时，声源向水介质中稳定地辐射声波，经过边界不断反射而形成复杂声场；当单位时间内水池壁面吸收的声能与声源单位时间内辐射出的声能相等时，声场达到了稳态，人们把由反射声起主要作用的混响控制区称为混响声场。
　　本书中将混响声场和扩散场（又称漫射场或弥散场）加以区分。所谓扩散场，是指从声场中到达任意一点的声波都是无规则地来自各声的叠加。在扩散场中，稳态的平均声能密度与位置无关，即稳态的平均声能密度处处相等，并且各个方向上的能量流呈均匀分布。通常认为扩散场只有在具有良好漫反射特性的混响水池中才能形成，而实际上扩散场是很难形成的。
　　1.2.3 混响时间
　　混响声场中声音达到稳态之后停止声源，平均声能密度从原始值衰变到其百分之一（60dB）所需的时间，以表示，单位为秒（s）。
　　1.2.4 混响半径
　　在混响水池内，直达声能与混响声平均声能相等的点到声源声中心的距离，称为混响半径，以 表示。
　　（1-4）
　　式中，为封闭空间常数。
　　1.2.5 Schroeder截止频率
　　Schroeder截止频率是指，当每个共振频率的半功率带宽 内至少包含3个简正波时所对应的频率。Schroeder截止频率被认为是满足混响声场条件的*低频率，以表示。
　　（1-5）
　　式中，为声波在水中的传播速度，m/s；为水池内水的体积，m3。
　　1.2.6 空间平均声压级
　　空间平均声压级 是空间平均均方声压 与基准均方声压 之比以10为底的对数再乘以10，单位为分贝（dB）。
　　（1-6）
　　式中，基准声压 。
　　1.2.7 简正波和简正频率
　　在混响水池中声波可以在任何两个壁面之间传播，也可以围绕水池传播。如果角度选择恰当，声波经多次反射可以形成驻波。每一个驻波就是房间的一个简正波或简正振动。简正波的频率称为简正频率。
　　1.2.8 平均吸声系数
　　当声波在混响水池内碰到壁面时，会被壁面吸收掉一部分声能，被壁面所吸收的能量与入射能量的比值称为壁面的吸声系数，它是墙壁材料的固有特性，与声源和墙的大小、位置都无关。因为在扩散声场前提下声场的能量密度处处相等，对每一吸声表面入射声线的传播方向都是随机的，所以吸声系数应是所有入射角的平均结果。设对应于某吸声表面 的吸声系数为，如果对水池内所有壁面（包括水池表面和底面）的吸声表面的吸声系数进行平均，则可得混响水池的平均吸声系数为
　　（1-7）
　　式中，为水池壁面总面积。
　　房间中一般采用的壁面，无论普通的抹泥灰的砖墙，还是水泥地板、木质天花板，或者在壁面上铺上特制的吸声材料等，它们的吸声系数都是频率的函数。
　　1.2.9 吸声量
　　平均吸声系数实际上表示房间壁面单位面积的平均吸声能力，也称单位面积的平均吸声量。设对应于某吸声表面 的吸声系数为，则该壁面的吸声量就可用来表示，吸声量的单位用m2表示。如果在水池墙壁上布置着几种不同的吸声材料，它们相应的吸声系数和面积分别为和，则该水池内的总吸声量为
　　（1-8）
　　水池壁面的吸声量也可以由水池壁面的平均吸声系数表示为
　　（1-9）
　　1.2.10 等效平均吸声系数
　　在混响水池中，当频率较高时，还要考虑水介质吸收的影响，若水的声压吸收系数为，则其声强吸收系数 为，则水池中的总吸声量为
　　（1-10）
　　则等效平均吸声系数为
　　（1-11）
　　声强吸收系数不仅与介质的性质与状态有关，而且还是

目录
丛书序
自序
第1章 绪论 1
1.1 声学测量方法概述 1
1.2 若干名词术语和定义 4
1.2.1 平均自由程 4
1.2.2 混响声场及混响水池 4
1.2.3 混响时间 4
1.2.4 混响半径 5
1.2.5 Schroeder截止频率 5
1.2.6 空间平均声压级 5
1.2.7 简正波和简正频率 5
1.2.8 平均吸声系数 5
1.2.9 吸声量 6
1.2.10 等效平均吸声系数 6
第2章 混响室内的声场理论 7
2.1 基于理想扩散场假设的室内声场理论 8
2.1.1 扩散声场 8
2.1.2 室内混响 9
2.1.3 稳态平均声能密度 11
2.1.4 总稳态声压级 12
2.2 混响声场的统计特性 13
2.2.1 概述 13
2.2.2 单频随机相位平面波均方声压的分布 14
2.2.3 M个点均方声压平均的波动 15
2.2.4 多频率信号场的M个点均方声压的平均 16
2.2.5 小结 16
参考文献 17
第3章 混响水池声学测量理论 19
3.1 混响水池中的简正波 19
3.1.1 矩形混响水池声场的简正波 19
3.1.2 非刚性边界对简正波的影响 22
3.2 矩形混响水池点源的声学测量理论 24
3.2.1 简正波理论解法 24
3.2.2 统计声学解法 27
3.2.3 改善混响水池声源辐射声功率测量精度的方法 29
3.3 矩形混响水池复杂声源的声学测量理论 32
3.3.1 矩形混响水池指向性声源的声学测量理论 32
3.3.2 混响水池多个非相干声源的声学测量理论 35
3.4 矩形混响水池内均匀脉动球源的声阻抗 36
参考文献 37
第4章 混响水池中声源辐射阻抗特性 38
4.1 辐射阻抗理论基础 38
4.1.1 水声换能器阻抗和导纳基础 38
4.1.2 辐射面振速均匀分布声源辐射阻抗计算 43
4.1.3 辐射面振速非均匀分布声源辐射阻抗计算 43
4.2 辐射阻抗建模方法 44
4.2.1 声源辐射阻抗解析计算方法 45
4.2.2 声源辐射阻抗数值计算 48
4.3 封闭空间声学环境对声源辐射阻抗影响研究 52
4.3.1 封闭空间尺度对声源辐射阻抗影响研究 52
4.3.2 封闭空间边界特性对声源辐射阻抗影响研究 59
4.3.3 声源发射位置对封闭空间中声源辐射阻抗影响 63
4.4 混响水池中球形换能器声源辐射阻抗测量实验 67
4.4.1 玻璃水槽中球形换能器声源辐射阻抗测量方案 67
4.4.2 实验数据处理及其分析 68
第5章 混响水池人工扩散声场建立方法 72
5.1 混响水池声场扩散性理论 72
5.1.1 声源频率对扩散性的影响 72
5.1.2 分析带宽对扩散性的影响 77
5.1.3 空间平均范围对扩散性的影响 79
5.1.4 多声源激励声场 81
5.1.5 不规则边界声散射 88
5.2 混响水池扩散声场实验研究 92
5.2.1 实验方案与装置 92
5.2.2 水槽声学特性测量实验 94
5.2.3 声场扩散性测量 97
5.2.4 多声源激励声场空间起伏实验 101
5.2.5 声场扩散性评价 104
参考文献 106
第6章 混响水池中水下复杂声源辐射声功率测量 107
6.1 混响水池中标准声源的辐射声功率测量 107
6.1.1 标准声源辐射声功率测量原理 107
6.1.2 空间平均声压的空间平均测试原理 109
6.1.3 混响时间测量原理 110
6.1.4 标准声源辐射声功率测量方法与实施技术 110
6.1.5 测量结果的分析方法 117
6.2 混响水池内水下复杂声源的辐射声功率测量 120
6.2.1 指向性声源的辐射声功率测量原理 120
6.2.2 多个指向性声源的辐射声功率测量原理 120
6.2.3 实施例：偶极子声源辐射声功率测量实验 121
6.3 混响水池中水下无人系统的辐射声功率测量 122
6.3.1 水下无人系统辐射噪声的混响法测量系统 123
6.3.2 混响水池的混响声场特性 124
6.3.3 混响水池中水下无人系统辐射声功率测量的准确性验证 125
6.3.4 水下无人系统辐射声功率的混响法测量结果 125
6.3.5 水下无人系统推进器的减振降噪效果验证 126
6.3.6 结论 127
6.4 混响法普遍适应性说明 128
6.5 混响水池声源辐射声功率测量的不确定度评定 131
6.5.1 数学模型 131
6.5.2 测量不确定度评定 131
6.5.3 声源辐射声功率测量的不确定度分量 131
6.5.4 合成不确定度及不确定度分量的灵敏度系数 132
6.5.5 不确定度分量的不确定度计算 133
参考文献 134
第7章 混响水池声源辐射声功率低频扩展测试 135
7.1 混响水池结构声源声场仿真研究 135
7.1.1 矩形混响水池声场数值建模与校验 135
7.1.2 混响水池声场传递特性的数值计算方法研究 137
7.2 混响水池中声源低频辐射声功率测量 141
7.2.1 混响水池中声源辐射声功率低频扩展测试技术原理 141
7.2.2 标准声源辐射声功率测量 142
7.2.3 比较法修正量影响因素实验分析 145
7.2.4 圆柱壳声源辐射声功率的比较法测量 152
7.2.5 比较法测量技术使用范围的讨论 155
7.3 混响水槽甚低频声源振动特性研究 156
7.3.1 圆盘辐射器低频振动仿真分析 156
7.3.2 混响水槽中圆柱壳模型低频振动仿真分析 157
7.3.3 标准声源甚低频振动响应测试 160
7.3.4 圆柱壳声源甚低频振动响应测试 165
7.4 近场声强分离法甚低频声学测试技术理论及实验研究 167
7.4.1 近场声强分离法声源甚低频声功率测试原理 167
7.4.2 混响水槽近场声强分离法标准声源甚低频声功率测量 170
7.4.3 圆柱壳模型辐射声功率的近场声强分离测量方法研究 173
第8章 水声换能器混响声场校准方法 183
8.1 水声换能器混响声场互易校准方法 183
8.1.1 校准原理 184
8.1.2 校准条件 187
8.1.3 校准方法 189
8.1.4 校准不确定度评定 193
8.1.5 校准实例 195
8.2 互易常数的测量计算 197
8.2.1 基于混响时间的互易常数测量方法 197
8.2.2 互易常数的比较法测量 198
8.2.3 校准参数测量 199
8.2.4 校准测量结果 202
8.2.5 校准不确定度分析 205
8.3 混响声场水声换能器的比较法校准 207
8.3.1 与标准水听器比较的校准 207
8.3.2 与标准声源比较的校准 207
8.3.3 发射器发送电压（电流）响应的校准 208
8.4 混响声场水听器批量校准 208
参考文献 209
第9章 混响水池中材料吸声系数的测量 210
9.1 吸声材料及吸声系数测量方法 210
9.1.1 吸声材料评价参数 210
9.1.2 吸声系数测量方法 212
9.2 吸声材料及吸声结构 214
9.2.1 均匀黏弹性吸声材料 214
9.2.2 分层吸声结构 216
9.2.3 多孔性吸声材料 217
9.2.4 微穿孔板吸声体 219
9.2.5 谐振腔式吸声结构 220
9.3 吸声系数测量方法 222
9.3.1 驻波管法 222
9.3.2 脉冲管法 223
9.3.3 混响法 224
9.4 混响水箱中材料吸声系数测量 225
9.4.1 水箱中强吸声材料的混响法测量原理 225
9.4.2 水箱中强吸声材料吸声系数的测量 229
参考文献 233
第10章 通海管路管口声辐射及噪声源分离研究 236
10.1 充液管道声场分布的理论分析及仿真计算 236
10.1.1 充液管道声场分布的理论分析 236
10.1.2 充液管道声场分布与各阶简正频率的数值仿真 241
10.2 混响水池中通海管路管口声辐射及噪声源分离方法 244
10.2.1 通海管路的噪声源 245
10.2.2 混响水池中通海管路噪声台架实验测量系统 245
10.2.3 混响水池中通海管路噪声台架实验测量方法 247
10.3 混响水池中通海管路管口声辐射及噪声源分离实验 247
10.3.1 混响水池中通海管路噪声台架实验工况 247
10.3.2 软管直管对比的实验结果与分析 248
10.3.3 是否加弯头对比的实验结果与分析 250
10.3.4 泵出口直接入水的实验结果与分析 253
10.3.5 高位水箱供水的实验结果与分析 255
10.3.6 高位水箱接软管的实验结果与分析 257
参考文献 259
第11章 混响水池中瞬态噪声的测量 261
11.1 水下瞬态噪声的种类与特征 261
11.2 封闭空间中瞬态噪声场建模方法 262
11.2.1 自由场条件瞬态噪声场建模 262
11.2.2 自由场条件瞬态噪声场特性的影响因素分析 265
11.2.3 封闭空间中简单瞬态噪声场数值建模 265
11.3 混响声场瞬态噪声特性研究 268
11.3.1 混响声场中简单瞬态噪声的时频特性分析 268
11.3.2 声场边界对瞬态噪声场的影响 271
11.3.3 非相干处理技术在瞬态噪声场中的应用 272
11.4 混响声场瞬态噪声声能量测量方法 274
11.4.1 混响声场瞬态噪声声能量计算方法 274
11.4.2 混响声场瞬态噪声声能量的自由场校正 275
11.4.3 关于混响声场声场修正量的讨论 276
11.4.4 瞬态噪声场的声场采集方案与优化 276
11.5 混响水池简单瞬态噪声声能量的实验测量 277
11.5.1 实验概况 277
11.5.2 CW脉冲声辐射声能的消声水池测量 278
11.5.3 CW脉冲声辐射声能在混响水池的测量 279
11.5.4 实验小结 280
11.6 混响水池复杂瞬态噪声声能量的实验测量 280
11.6.1 实验概况 280
11.6.2 电火花水下辐射声能的消声水池测量 281
11.6.3 电火花水下辐射声能在混响水池的测量 282
11.6.4 实验小结 283
11.7 混响声场瞬态噪声声能量测量方法的适用性分析 283
11.8 小结 284
索引 285