复杂边界条件下矢量传感器的指向性分析及实验研究

矢量传感器在水声技术领域广泛的应用。它通常工作在自由场中,不受边界条件的影响,但实际应用中具有复杂形状的障板对传感器性能有很大影响。利用边界元方法,在不规则障板边界条件下,对矢量传感器的散射声场进行了计算,得出了传感器的指向性图。在水池中对不同边界条件下矢量传感器的指向性进行了测试,将数值计算与实测结果进行比对,验证了计算方法,并给出了研究结论。     

球形障板对矢量水听器接收性能的影响

矢量水听器可以同步共点测量声场空间一点处的声压和质点振速的各个分量,因此其被广泛应用于水声测量、探测、通信等领域。矢量水听器在水声测量的应用中会受到安装载体散射声场的影响,而这种载体可以看作为障板,由于障板的存在使散射声场的分布发生改变,以及矢量水听器的接收性能下降。仅以绝对硬边界为例,对球形障板的散射声场进行了理论计算和仿真分析。并且对带障板条件下矢量水听器的接收指向性的变化进行了仿真研究。结果显示,从散射声场分布图可以直观看出声场发生的变化,矢量水听器的接收性能变化与障板的尺寸、与障板距离远近、声波发射频率等因素有关。     

有限平面障板对低频指向性的影响

为提高对水下目标的远程探测能力,降低水下航行体系统工作频率不失为一种较易实现的好方法。矢量传感器在各向同性噪声场中可以获得较大的低频检测增益,且其低频指向性好、体积小、重量轻,但是将矢量传感器安装在水下航行体头部的导流罩内时,传感器的后障板对其指向性有影响,从而影响水下航行体对目标定向的能力。该文从声学原理出发,对平面波在有限平面障板边界上的声压场和振速场进行了理论分析,在此基础上建立了矢量传感器在有限平面障板下的指向性模型,并通过计算机仿真分析,研究了有限障板对低频指向性的影响。设计了实验室试验系统,并进行了试验验证。试验结果表明,仿真分析与水池试验结果一致,证明了该模型的正确性,为减小有限障板对矢量传感器性能的影响奠定了基础。     

弹性球壳声散射对矢量水听器测向影响研究

以平面波在弹性球壳上声散射理论为基础,建立了弹性球壳近场声散射对矢量水听器目标定向性能影响计算模型,分析了入射声波信号频率、入射角度以及矢量水听器安装位置对目标定向的影响。计算和理论分析结果表明．弹性球壳声散射对矢量水听器测向性能的影响与壳体散射特性和水听器安装位置密切相关,在低频和高频段测向误差相对比较小,而在中频段则测向误差比较大,可通过选择工作频段,或者采用声学处理,降低壳体声散射强度,减小对矢量水听器测向性能的影响。研究结果为矢量水听器工程应用奠定了理论基础。     

球形壳体障板声散射近场矢量特性

为了实现矢量水听器在水面或水下载体上的工程应用,研究了球形壳体障板声散射近场矢量特性。采用弹性薄壳理论结合边界条件导出了球形壳体障板声散射的声压和质点振速表达式,给出相应的声强表达式。数值计算了球形壳体障板声散射的近场特性,重点关注其近场矢量特性。理论分析和数值计算结果表明,由于球形壳体障板的散射作用,声压场和质点振速场表现为复杂的干涉结构;质点振速方向和声源方位不一致;声压和质点振速不再同相;声强方向也不再反映声源方位。本文结果为矢量水听器在球形载体和球形障板条件下的工程应用提供理论依据。     

基于声压振速联合信息处理的测向方法研究

本文研究了基于压差式矢量传感器声压振速联合信息处理的低频水声目标被动声测向算法,该方法综合利用了目标声场的声压和振速信息,有效的解决了小尺寸和低频条件下的高精度被动声测向,最后用实测的潜艇噪声数据进行了计算机仿真,并在消声水池对压差式矢量传感器的指向性进行了测试,获得了比较满意的结果     

刚性曲面障板散射对多模球形水听器测向的影响

文章将板块元法应用于收-发分置时近场散射声场的计算,讨论了存在刚性曲面障板时障板散射对多模球形水听器测向的影响。研究结果表明,刚性曲面障板会使水听器在某些方位出现较大的测向误差,此时目标信号频率和俯仰角变化也会对测向产生较大的影响。存在刚性曲面障板时,等效声中心不对称对测向误差的影响较小,而等效声中心不共面对测向误差的影响要比不对称时明显得多。     

矢量传感器的工程应用

本文通过总结国内、外的研究成果，结合自身的实践和思考，阐明了矢量传感器的几大特点，包括单个矢量传感器测向、矢量传感器多变的指向性图、矢量直线阵区分‘左右’舷能力及单矢量传感器多目标分辨的能力。最后根据矢量传感器的特点，讨论了其对应的、潜在的、可能的应用前景和应用设想。     

单光纤矢量水听器的浅海环境噪声指向性研究

0引言海洋环境噪声的指向性不仅是海洋环境噪声的重要特性,也是影响水听器阵列增益的重要因素。20世纪60～70年代,许多实验使用大规模拖曳阵或沉底阵测量了不同海域的海洋环境噪声场的指向性和谱特性。单个光纤矢量水听器可以共点测量声场的声压和三个正交的加速度分量,可以认为是共点的标量阵列。本文通过矢量波束形成方法,对浅海环境噪声场进行了水平指向性和垂直指向性的估计,并分析了降雨对噪声场指向性的影响。     

一种上半空间指向性的水声发射换能器结构设计

本文讨论了一种具有上半空间指向性的水声发射换能器的结构,采用半液腔压电圆管换能器实现了上半空间指向性,在换能器结构中采用吸声锥形障板加反声障柱的方法,实现换能器的垂直向上的窄波束指向性。同时也提高了测量装备在边收边发方式下的声隔离度,有效抑制了收发换能器间的声串漏。通过对实物测试,系统声学收发隔离效果达到35d B以上,该换能器结构设计的有效性得到了验证,并将在装备研制中得到应用。     

分舱段圆柱壳声散射数值和试验研究

基于有限元方法建立了填充不同介质的有限长分舱段圆柱壳声散射数值计算模型,仿真了填充空气-空气、空气-水、水-水三类两舱段圆柱壳声散射特性,并完成了三类两舱段圆柱壳体声散射试验,获取和分析了两舱段圆柱壳体声散射的时间角度谱和频率角度谱特性。利用物理声学方法分析了壳体表面、端面以及内部填充水介质对散射声场的影响,揭示了两舱段圆柱壳声散射频率角度谱中呈现的干涉条纹特征形成机理,为水下分舱段目标,如水下无人航行器的主动声呐探测和识别提供理论支撑。     

矢量水听器工程局限性剖析

重点研究了矢量水听器在工程应用方面的特点和局限性。首先给出了矢量水听器及其阵列的数学模型和它的性能特点;接着对矢量水听器和传统声压水听器在浮标/潜标平台、拖曳式平台以及水下航行器平台等应用情况下的性能进行了比较分析。结果表明,在浮标/潜标平台上,使用矢量水听器有利于低频时的目标探测,可以显著降低阵列孔径;而在拖曳阵及航行器等移动平台上,由于受流噪声、运动平台辐射噪声等因素的影响,矢量水听器的性能优势不易发挥。     

薄壳目标的多基地声散射特性研究

文章对水中薄壳目标的多基地声散射特性进行了理论仿真与试验测量研究。首先采用有限元耦合边界元和基尔霍夫(Kirchhoff)近似积分两种不同的数值计算方法对内部充气球冠圆柱壳的多基地声散射特性进行建模仿真,然后通过目标在消声水池的散射声场试验测量验证仿真结果的有效性。采用相同的数值计算方法对Benchmark模型的多基地散射声场进行仿真计算,分析多基地(全向)声散射特性及散射机理。结果表明,水中目标多基地散射的回波强度与回波结构与多基地分置角相关,且回波亮点的主瓣宽度也随多基地分置角变化而变化;Benchmark模型的艇体和指挥舱之间存在强烈的干涉作用,使多基地(全向)散射声场的竖状条纹发生倾斜。研究为水下目标的多基地探测提供理论支持。     

水下刚性角反射器散射特性

为了分析水下角反射器的声散射特性,提出了一种计算水下凹面目标散射声场的方法。采用ANSYS软件构建水下角反射器实体模型,再利用声学分析软件SYSNOISE对其远场散射声场进行仿真。计算了二面角反射器的目标强度,并与声束弹跳法和板块元法的计算结果进行对比,验证了该方法的适用性和精确性。对三面角反射器的散射特性进行了分析,得到了不同声波入射角度下的目标强度、目标强度随频率的变化规律以及散射方向图,结果表明,正方形角反射器的目标强度最大,三角形角反射器的散射宽度最大,角反射器目标强度不存在明显的频率效应。计算了八面角反射体的方向图,计算结果表明角反射器组合可以有效增大目标强度和散射宽度。     

采用矢量阵测量的水中宽带近场声全息技术研究

基于声强测量的宽带声全息技术(BAH IM)是由近场声全息(NAH)领域脱颖而出的一项技术,它由全息面上互相垂直的两个切向声强分量计算出全息面上的复声压相位,得到全息面上复声压,再进行NAH处理。针对水中圆柱体的噪声源识别问题,给出了该方法在柱体中运用的基本原理,利用所编制的程序进行了仿真验证,最后,采用矢量阵进行了水中近场声全息测量实验,验证了该方法的可行性和准确性,实验结果表明柱面内BAH IM技术在水中柱形声源内辐射声场的重建噪声源识别和定位中有着明显的优势。     

一款水声通信换能器研究

随着声呐技术的迅速发展,水声通信在海洋科学研究及海洋开发中发挥着非常重要的作用,水声通信换能器是水声通信设备中负责电声转换的重要部件。研究了一款带底座的溢流圆管换能器,通过有限元仿真计算了换能器发送电压响应和方向性等参数,优化了换能器中的陶瓷元件和底座的结构尺寸,制作并测量得到一款半空间指向性的水声通信换能器,换能器的工作频段为11~23 k Hz,带内起伏为3 d B,最大发送电压响应为133 d B,-3 d B垂直开角大于180°。     

基于矢量水听器的南海海洋背景噪声测试

矢量声压振速联合处理建立在信号的声压和振速相位基础上,海洋环境边界影响将改变矢量声场声压振速的幅度和相位特性．首先根据南海环境条件结合水下目标辐射噪声测量,采用声场矢量简正波理论估算海面非相干偶极子噪声和水下点声源矢量强度随深度的变化,然后设计了可用于深海海域噪声测量的矢量水听器测试系统,获取了南海海域典型深度上的背景噪声矢量强度并进行了特性分析．结果表明：深海背景噪声谱级在500Hz以下基本上不随深度变化,在500Hz～3kHz频段浅深度背景噪声谱级略高于较深深度的背景噪声;振速垂直分量的背景噪声要小于声压和振速水平分量的噪声谱级．     

水下复合边缘扁平结构散射声场特性研究

通过采用边界积分方法并结合水声无源材料自由场测试等工程实际,对几种典型复合边缘结构形式的水下扁平结构的散射声场分布规律开展了进一步地研究与分析。在此基础上,尝试在不改变主体扁平矩板结构声学性能的前提下,提出通过附加边缘结构设计即物理解决途径上对自由场测试中存在的边缘效应进行抑制或去除,为提高测试精度（尤其是低频段测试精度）创造条件,也为边缘效应抑制机理和技术的研究与开发奠定基础。数值仿真与理论分析结果表明：1.复合附加边缘矩板结构的散射声场频域分布特性与多数附加边缘类型扁平矩板结构散射声场分布的总体规律基本一致,在趋势上是相似的,而边缘重数的增加加剧了前向散射与镜向散射声场间的差异性和不同程度地增大了声场的波动程度;2.附加边缘声学结构设计（如共振吸声结构或软表面声学处理、增加有效边缘重数等）对抑制结构边缘效应负面影响是有效的和可行的,且具有较好的可控性。