浅海风成海洋环境噪声场宽带垂直相干特性研究

本文对浅海风成海洋环境噪声场两接收点宽带垂直相干特性作以研究.首先给出了宽带垂直相干的简正模式展开形式,然后讨论了宽带垂直相干与海底各参数、海面噪声源深度、海水声速剖面、两接收器的深度和间距等因素之间的关系.计算结果发现,海底各参数和海面噪声源深度对宽带垂直相干的影响以不同的方式体现,这为宽带垂直相干进一步应用于海面环境的监测以及海底多参数的反演奠定了基础.     

海面噪声垂直相干特性反演地声参数

声学反演是快速、低成本获取浅海局部地声参数的有效方法之一,其中,利用海面噪声的垂直相干函数反演海底参数,只需要两个垂直排列的水听器,不需要专门的发射声源,隐蔽性好,有较高的军事应用价值.通过已有的海面噪声场模型,分析了海底声速、密度及衰减系数对噪声垂直相干函数的敏感度,并利用中国某海区的海洋环境噪声试验数据,结合差异进...     

斜坡海底海洋环境噪声垂直指向性研究

为了解决斜坡海底地形的环境噪声高频建模问题,为三维环境噪声的进一步计算奠定了基础。在射线法的基础上,采用N×2D的近似算法,研究了斜坡海底情况下,均匀分布在海面上的噪声源所产生的环境噪声垂直指向性。考虑了海水吸收,海底反射,声速剖面对垂直指向性计算结果的影响。研究表明：三种因素均会对斜坡海底的噪声垂直指向性产生影响,其中声速剖面对其影响要大一些。     

分层浅海海洋环境噪声场的射线预报方法

海洋环境噪声场是一个随地域、时间变化的复杂的场，现场快速预报对于环境匹配的声纳系统有重要意义。文章中利用射线声学模型计算了等声速分布、负梯度声速分布、正梯度声速、及任意声速分布条件下分层浅海海洋环境噪声场的指向性、噪声强度和相关函数随深度变化的规律。研究表明：分层浅海海洋环境噪声场与海底特性及声速分布有很大关系；利用射线预报方法可以快速预报分层浅海海洋环境噪声场。     

深海海沟航船噪声数值建模与特性分析

0引言海洋环境噪声是水声信道中的一种干扰背景场。对声呐作用距离进行预报时,要求对海洋环境噪声级进行预估;另外在声呐信号处理方案中,还要求充分掌握噪声场的时空统计特性,使声呐系统达到更高的信噪比。近年来,人们对海洋环境噪声进行了广泛的研究[1][2][3][4],包括环境噪声随深度、频率、地形和舰船密度等环境因素的变化,以及噪声的垂直和水平指向性等。本文结合声场的互易性,提出了一种深海航船噪声建模计算方法,并对深海海沟的航船噪声特性进行了分析。     

浅海内波对环境噪声水平方向凹槽的影响

典型夏季海洋环境噪声垂直指向性水平方向经常出现一显著凹槽。采用三维声速场海洋环境噪声理论模型,分析了各阶简正波对垂直指向性的贡献,指出不同阶简正波的贡献不同,高阶简正波是形成水平方向凹槽的主因,低阶简正波起填补环凹槽的主要作用,无内波时海面噪声源激发低号简正波的能量较低,填补能力较差,水平凹槽显著;内波活动期,内波改变了声信号的传播路径,引起不同阶简正波耦合,低号简正波能量增强,其填补噪声水平凹槽的作用明显加强,高阶简正波能量减少,凹槽变浅。还探讨了凹槽填补程度与内波强度之间的关系,以及有内波时环境噪声垂直指向性随时间的变化。     

远离航道海域低频海洋环境噪声垂直指向性

海洋环境噪声垂直指向性是声呐背景场的典型空间特性之一,既可体现噪声源的空间特性及其传播特性,还可用来反演海洋环境的特征参数。分析了南海某岛礁海域实测海洋环境噪声的垂直指向性,发现当接收阵远离航道时,低频海洋环境噪声垂直指向性的主瓣集中在-30°～30°范围内(0°对应水平方向),且水平方向不存在凹槽。基于舰船自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)航船分布数据得到简化航道区域航船噪声源模型,利用3D射线声传播算法,结合实际岛礁海域地形数据,计算的低频海洋环境噪声垂直指向性与实测数据处理结果相符。研究结果表明,当接收阵距航道较远时,由航道航船引起的低频海洋环境噪声以接近水平方向入射垂直接收阵,研究结果可为声呐在远离航道海域的性能提高提供技术支持。     

深海波导中目标低频声散射特性研究

针对深海环境中目标的主动探测问题,建立了深海波导中目标低频声散射仿真的简正波耦合边界元理论模型。首先仿真了深海波导中Munk声速剖面条件下的声传播特性,然后根据深海波导中的声传播特性,仿真计算了声源位于不同深度时,波导中目标低频散射回波强度随声源与目标之间水平距离变化的特性。仿真结果表明,当声源深度为100 m(近海面)与1 400 m(声道轴)时,受完全声道的影响,在会聚区附近范围内散射回波强度较大;声源深度为4 900 m(近海底)时,受直达波与一次海面反射波的影响,在中近距离(小于40 km)范围内散射回波强度较大;对于接收水听器而言,置于临界深度以下时主动探测的距离更远。     

浅海倾斜海底声场空间相关性研究

针对浅海倾斜海底海洋环境,对声场的空间相关性进行了研究。利用抛物方程法,对浅海声场的空间相关系数进行数值模拟,并结合2001年东中国海中美联合实验数据,分析了声场空间相关系数与海底倾斜角度、接收阵元与参考阵元的间隔、参考阵元深度及声源深度之间的关系。对于上坡海底,浅海声场空间相关性随着海底倾斜角度、接收阵元与参考阵元间隔的变大而变弱,且垂直相关系数随着接收阵元与参考阵元间隔的增大,先衰减再出现起伏。     

浅海混响实验数据垂直指向性简正波建模分析

混响是限制主动声纳性能的主要因素之一。人们利用接收阵的指向性来提高信号／混响比。垂直指向性可用于抑制边界混响。本文利用浅海简正波混响模型进行建模分析,通过仿真计算,研究了海底类型、海深、声速梯度对海底混响的影响。仿真结果表明：海底类型对混响影响最为严重;利用实测的平均声速建模的Pekeris信道的预测海底混响与利用实测SSP的预测海底混响相差很小;海深越深,海底混响越小,海深对海底混响的影响介于上述两种因素之间。在仿真分析的基础上,论文主要进行了浅海混响实验数据垂直指向性的建模分析。对东中国海60元垂直阵采集的混响数据进行了波束形成,并对单个水听器和部分波束的混响曲线与浅海混响模型预测数据进行了比较。经初步分析表明,实验数据与模型吻合得较好。     

不同浅海环境下点声源海底地震波特征研究

航行舰船在海底岩土层中引起的弹性波被称为舰船地震波,主要由舰船低频辐射噪声引起,可用于识别舰船目标。将舰船地震波简化为液固多层半无限空间低频点声源引起的地震波动问题,基于波数积分方法,通过FFP数值积分得到了海底表面声压、位移和加速度的频率特性曲线,分析了不同浅海环境对点声源海底地震波的波动特征的影响。结果表明：软质海底竖直方向加速度具有明显的低频通过特征,点声源海底地震波频域特征具有方向性;接收横距、岩土层吸收衰减系数和软硬程度、水深、沉积层厚度等均对点声源海底地震波的波动特征具有影响。     

东中国海夏季海洋环境噪声特性分析

海洋环境噪声不仅是水中目标探测的背景干扰声场之一,还可用以反演海洋物理参数。文章基于实测东中国海某海区夏季海洋环境噪声数据,分析其时频特性、统计特性以及风关特性。研究结果表明,试验期间该海区100 Hz以下频段的海洋环境噪声级约为110 dB,频率为100和300 Hz的海洋环境噪声级分别服从自由度为8和6的卡方分布,频率为1 kHz和3 kHz的噪声级服从正态分布;海况对低频海洋环境噪声级概率分布无明显影响,但是对高频段噪声级正态分布的均值和方差会产生一定影响;随着频率的增加,海洋环境噪声级与风速对数间的相关系数逐渐增大,1 kHz以上相关系数在0.6～0.7之间;100 Hz以上频段的噪声谱级基本不随深度发生变化。文中的结果可以为水中目标的探测以及浅海海洋环境噪声的应用研究提供技术支持。     

浅海海底模型对低频声传播的影响

海底参数特性是影响浅海低频水声传播的重要因素。理论上需要知道海底所有深度的参数特性才能确定水声传播,这在实践中很不现实。如果在误差的允许范围内只需要知道某个深度以上的海底参数特性,而这个深度以下的海底参数特性可以忽略,这个深度就定义为海底最大深度。低频声波能够穿透海底更深,最大深度能够达到几十米深,对比较高频率只有几米深。海水声速剖面也能影响声波穿透海底深度,声速剖面为负梯度时海底最大深度比等声速要深。在低频声传播过程中,海底横波对声场影响也很大,尤其是在超低频100Hz以下,2002年5月的南海试验也证实了这一点。     

货物列车声屏障等效频率的确定及其验证和分析

声屏障设计研究一直是国内外广泛关注的课题,在线路两侧正确地设置声屏障不仅提高噪声控制的主动性,也将降低项目的投资。然而,绕射衰减计算是声屏障设计的重要步骤,声屏障的等效频率又是声屏障绕射衰减计算的重要参数之一。为准确、快捷的进行声屏障设计,需针对不同机车牵引类型,不同时速下货物列车的噪声频率特性进行试验研究,通过对实测数据进行统计分析,由此可得到不同工况下货物列车的声屏障等效频率。     

“海底山”地形的水下声传播分析

在声传播测量中,在测线上水深的较大变化,使声传播损失发生显著的变化。海底山和海底凹陷地形对声波的传播有较大影响,使声传播损失出现变大和变小的情况,甚至产生较大的声影区效应,对水声装备的研制和使用有重大影响。对一种特殊海底山地形下的声传播问题进行分析,并结合实验数据对比有无海底山情况下的声传播损失,期望对海洋环境测量和水下武器装备的研制及应用有所启发。     

阵列测量中的卡尔曼滤波器算法

针对经典波束形成算法不具备实时性、占用存储空间大、计算速度慢等缺点,提出了基于卡尔曼滤波器的算法。这种算法将信号处理领域中现有的卡尔曼滤波器理论与阵列信号处理过程相结合,在频域内对声学阵列所采集到的数据进行迭代处理,不仅能够及时发现风洞测量中存在的各种问题,而且可以实时消除由测量环境所引起的各种误差。仿真结果表明,这种算法比经典波束形成算法收敛速度更快,不仅成像效果很好,而且能够对低速运动声源进行定位。此算法具备实时性,为风洞声源的实时定位提供了重要的算法选择。     

浅海海底单参数模型分析与研究

介绍了单参数模型,提出以小掠射角下反射损失随掠射角的变化率Fd B作为描述海底性质的单参数,并分析研究了该海底单参数模型的适用性,分析得到,当频率不低于数十赫兹且海底沉积物类型属于高声速海底时,单参数模型可以用来描述海底性质。还研究了海水声速对于海底单参数模型描述水下声场的适用性的影响,结果表明,当海水声速剖面可以近似等效为均匀水层时,可用海底单参数模型对水下声场进行预报应用。     

V型减载式声屏障降噪特性的试验研究

V型减载式声屏障可减小高速列车气动载荷对声屏障及其基础安装结构的动力作用,但其透气结构降低了单元板件的隔声量,通过现场试验,客观地评价和分析其降噪效果对其工程应用具有重要的意义。采用ISO3095标准,基于现场测试,对比分析了高速列车以250km/h~360km/h通过状态下,安装V型或传统直立型声屏障的降噪效果。结果表明：随着列车运行速度的增加,V型减载式声屏障和传统直立型声屏障的插入损失均有较明显的下降,但V型插入损失的下降相对缓慢,在250km/h时其插入损失为13.6dBA,而360km/h时为10.2dBA,降幅为3.4dBA。对3.95m高的V型减载式声屏障与直立声屏障,当速度小于350 km/h时,直立声屏障的降噪效果更好,插入损失要大0.1~2.4 dBA;当速度大于350 km/h时,V型减载式声屏障的降噪效果更好,插入损失要大0.3 dBA。当V型减载式声屏障与直立声屏障的高度由2.95m增大到3.95m时,V型减载式声屏障的降噪效果提高的更明显,在360km/h时插入损失要大3.5 dBA。     

由矢量水听器阵列反演浅海地声参数

基于矢量水听器能够比传统的声压水听器提供更多的声场信息,文章提供了一种利用矢量水听器阵列（AVS）进行浅海地声参数反演的方法。首先,对声场矢量的传播规律进行了研究;其次,利用矢量匹配场（MFP）方法进行了海底声速的反演：最后利用声压和质点垂直振速的传播损失差反演了海底吸收。基于矢量水听器的海底参数反演方法主要具有下述优点：一是利用矢量匹配场反演海底声速能够有效减小参数估计误差：二是利用声场矢量传播损失差进行海底吸收反演能够排除信号源级起伏对反演的干扰。实验结果表明,基于矢量水听器阵列的海底参数反演能够很好的进行声场传播预报工作。