基于参考点之间水声传播的声速剖面反演

针对海洋声速剖面测量成本高、长期观测困难的难题,文章初步研究了利用水下固定参考点与水面已知位置之间的声信号传播时延来反演海水声速剖面的方法,提出了一种等声速分层模型下的声速剖面反演方法。将海水分层,对声信号传播过程进行建模,推导反演声速的非线性方程组;再利用牛顿迭代法,对非线性方程组进行求解。通过仿真和海试试验数据处理,分层数不同时,反演声速与实际声速之间的误差随着分层数的增加而变小,声速误差最小为0.80 m·s^-1左右,验证了反演方法的有效性与准确性。     

利用字典学习的浅海被动声层析

针对被动海洋声层析,提出了一种利用字典学习从海洋环境噪声反演浅海声速剖面的方法。首先,通过海洋噪声互相关函数提取出两个水平阵列间的经验格林函数;其次,通过字典学习从数据生成字典矩阵来稀疏表征声速剖面;最后通过搜索稀疏的系数来实现对浅海声速剖面的反演。通过南海实验数据对本方法进行了验证,相对于传统被动海洋声层析方法实际反演结果的均方根误差降低为0.53 m·s^-1。而且搜索参数更少,同时具有较高的准确性。     

基于爆炸声传播时间的声速剖面反演

特征声线搜索以及传播时间测定的精确性是基于声传播时间的声速剖面反演的关键。在具有倾斜海底的三维海域,声线在海底的反射会导致水平偏转,给特征声线搜索和声传播时间计算带来了困难。为此,首先提出了一种三维空间特征声线搜索方法。通过对南海海洋环境反演实验数据的处理,分析了声线的水平偏转对声传播时间的影响,并用爆炸声传播时间作为代价函数,用量子粒子群算法作为优化算法进行了声速剖面反演。结果表明,海底坡度较大时,声线的水平偏转对声传播时间影响较大,考虑声线的水平偏转能有效地减小声传播时间计算的误差,进而使得声速剖面反演的精度得到显著提高。     

利用字典学习方法的声速剖面反演研究

针对经验正交函数（Empirical Orthogonal Function,EOF）建模反演得到的声速剖面（Sound Speed Profile,SSP）估计值分辨率比较低的问题,文章采用字典学习方法中的K-奇异值分解（K-Singular Value Decomposition,K-SVD）算法生成声速剖面的非正交原子,研究了该方法生成的学习字典（Learning Dictionary,LD）对声速剖面的重建性能。首先,采用K-SVD算法从获得的数据中训练SSP字典,然后利用正交匹配追踪（Orthogonal Matching Pursuit,OMP）的稀疏方法给出训练信号的稀疏向量,最后通过得到的最优学习字典和稀疏向量反演得到SSP的估计值。结果表明,K-SVD算法比EOF算法使用更少的基函数即可很好地描述SSP的变化,获得更高的反演精度。     

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。     

采样时沉积物声学特性的现场测量方法

本文描述了一个联接到沉积物采样器上的测量系统,为的是当沉积物采样器工作时能在现场得到沉积的声速剖面。该系统使用了安装在采样器的探头里的二个电声换能器,以及相应的电路,以便测量声脉冲通过沉积物样品直径的时间;给出了实验室和野外的测量结果,亦进行了把测量声速的系统推广到测量沉积物的声衰减和沉积物内体积散射的可能性的研究.     

一种非分层海洋中的声线计算方法

在浅海环境中,声速剖面和海底深度在水平方向上的变化都会对声传播产生较大的影响。将声速剖面用前几阶经验正交函数来表示,在一定范围的海域各阶经验正交函数系数可以近似为随水平距离线性变化,提出了一种非分层海洋中的声线计算方法,可以计算到达接收水听器的本征声线和传播时间。该方法计算速度快,计算精度较高,可以用于海洋中的声速剖面快速反演。     

海底沉积物岩芯横向声学测量系统的标定

水平轴向测量技术相对成熟,但较难获取海底沉积物的无扰动分层声学特性,采用横向测量技术可以解决这一问题。文章研究了海底沉积物岩芯横向测量技术,将水作为海底沉积物测量的参考标准,进行测量系统的标定。提出了等效换能器的概念,将样品以外的声传播介质整合成等效换能器的一部分,标定测量等效换能器声延时和声传播初始能量。以水为标准介质,分别采用33、80、100 kHz三种频率的声学换能器,以及75、90、110 mm三种管径的聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC),测量所得的水中的声速与标准计算水中的声速具有一致性,其中以采用80 kHz频率声学换能器和90 mm管径PVC管测量时的声速误差最小,选用此状态进行标定,得出当隔水耦合测量法换能器相对距离为142.02 mm时,标定的等效换能器声延时为45.88±0.08 μs,等效换能器声传播初始能量(以接收换能器的接收电压表示)为0.86±0.03 V。应用标定的等效换能器声延时和声传播初始能量测量海底沉积物。计算得到声速和声衰减系数符合黏土质粉砂的声学特性。     

少量声速剖面时浅海声传播不确定性研究

当只有少量的浅海实测声速剖面时,不能直接利用Monte Carlo法研究声传播的不确定性。基于经验正交函数法,提出扩展向量法对少量实测声速剖面进行扩展,产生与实测声速剖面统计量基本一致的扩展声速剖面,基于MonteCarlo法,利用扩展后的声速剖面计算了声传播损失概率密度分布。结果表明,扩展向量元素服从标准正态分布,扩展后的数据捕捉到了未能测量到、但可能存在的声速剖面,该方法为浅海环境下实测声速剖面数据较少时,研究声传播不确定性提供了一种新的途径。     

收发合置水声管中使用宽带脉冲的吸声测量方案

水声管是水声材料吸声测量的重要实验平台。对于收发合置换能器水声管系统,目前常用的吸声测量信号是调制正弦信号。为了实现宽带测试,提出了水声管中宽带声脉冲的产生方法,并设计了电子开关延时控制电路。给出了基于收发合置型换能器水声管中宽带吸声测量结果。     

一种二分迭代实时声线修正算法

为提高对水下目标的定位精度,提出并实现了一种二分迭代实时声线修正算法。首先通过二分迭代法快速搜索出水下声源所发出的定位声信号传播声线的初始掠射角,然后以该初始掠射角对应的唯一声线为基础,根据斯涅耳(Snell)声线折射定理计算得到声源与水下接收阵元的距离值,最终利用与声线相符的三路测距值进行交汇解算,完成实时声线修正定位。湖上试验结果表明,该算法简单易行、运算速度快,能够满足实时修正处理的要求,在复杂水文条件下提高了水声定位系统的定位精度。该算法具有良好的工程实用性和通用性,可推广应用于同类水声跟踪定位系统。     

最小控制递归平均算法对光纤声音传感系统的降噪作用

为了解决恶劣环境下分布式光纤声音传感系统的声音还原问题,搭建了一种基于改进最小控制递归平均(IMCRA)算法的多通道光纤声音传感系统。采用Sagnac和Mach-Zehnder复合光路结构,以单模光纤作为传感单元拾取声音信号,借助光开关实现了多通道信号采集,并通过改进最小控制递归平均算法对声音信号进行降噪、还原及增强处理。实验结果表明:该系统可在长为4km的传感光纤上实现对单音信号和语音信号的多通道扫描拾取,并能够在复杂情况下实现对语音信号信噪比的有效提升,为光纤声音传感系统在恶劣环境下的应用提供了一种新途径。     

Tomographic reconstruction of stratified fluid flow

A method for imaging a moving fluid is proposed and evaluated by numerical simulation. A cross-section of a three-dimensional fluid is probed by high-frequency acoustic waves from several different directions. Assuming straight-ray geometric acoustics, the time of flight depends on both the scaler sound speed and the vector fluid velocity. By appropriately combining travel times, projections of both the sound speed and the velocity are isolated. The sound speed is reconstructed using the standard filtered backprojection algorithm. Though complete inversion of velocity is not possible, sufficient information is available to recover the component of fluid vorticity transverse to the plane of insonification. A new filtered backprojection algorithm for vorticity is developed and implemented. To demonstrate the inversion procedure, a 3-D stratified fluid is simulated and travel time data are calculated by path integration. These data are then inverted to recover both the scaler sound speed and the vorticity of the evolving flow.     

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。     

基于深海声影区海底反射损失的地声参数反演方法

海底的声速、密度、衰减系数等地声参数,在声场预报、目标定位中十分重要。因地声参数原位测量和海底采样在深海中实施困难,需要寻找新的方法来获取地声参数。在深海声影区环境下,直达波会随着距离的增加而逐渐消失,一次反射波及多次反射波是对深海声影区声场起重要作用的多途信号。文章首先对声影区多途达到结构进行分析,利用多次比较法得到随掠射角变化的反射损失,并对海底地声参数进行反演,然后将反演的地声参数代入声场模型得到海底反射损失,将其与实验测量结果进行比较,结果吻合较好。并通过对反演过程的散点图和后验概率进行分析,证明了反演结果的可靠性。该方法可用于深海声影区的海底地声参数的反演。     

结构声辐射的源强声辐射模态分析方法

为了解决不易获取复杂结构振速声辐射模态和利用其计算复杂结构外辐射声场困难的问题,提出源强声辐射模态分析方法。该方法利用简单源积分公式将结构表面连续的源强分布等效为一组简单源源强分布,利用这组简单源源强分布构造了结构辐射声功率2次型表达式,其2次型系数定义一个辐射阻矩阵,辐射阻矩阵的特征向量就构成了源强声辐射模态,从而实现复杂结构总辐射声功率的解耦。只要获得声辐射模态的展开系数,声场中的声压、质点法向速度等声学量都可由源强声辐射模态叠加得到。球形声源和棱台体声源的分析表明：源强声辐射模态保留了传统的声辐射模态优点,更方便解决复杂结构声辐射问题。     

航空发动机风扇管道径向声模态模拟与识别技术

针对航空发动机风扇管道径向声模态模拟与测试问题,研究了径向声模态模拟技术以及径向声模态识别技术。采用基于径向排布的声源阵列形式,调节阵列预设的各扬声器幅值及相位实现径向模态声源模拟。建立声源管道下游多圈环形阵列,根据阵列位置信息构造求解模态的传递函数矩阵,运用Tikhonov正则化方法减小传递函数矩阵的条件数,从而实现径向声模态识别能力。通过理论推导和数值计算,设计风扇管道径向声模态试验装置,并在消声室进行试验验证。通过试验验证了该系统具备周向4阶以内,径向2阶以内的径向声模态模拟与识别能力。     

组合声源测试消声器传递损失的噪声信号修正方法

针对某些传递损失较大的消声器,现有白噪声测试设备的单一噪声源发生器无法满足消声量的测试需求。通过采用低频和中频两种声源发生器,利用过渡管道与测试管道垂直连接的方式,实现了两种声源组合发声对消声器声学性能的测试。为了解决过渡管道与组合声源系统连接处声阻抗变化,导致输出的噪声信号频谱特性随机波动的问题,提出了一种噪声信号的修正方法。该方法基于四传感器法测量过渡管道声阻抗,根据过渡管道传递矩阵,以随机白噪声为激励源输出的管口噪声作为输出声压信号,得到组合声源系统的输入声压信号,实现了对组合声源系统声音信号的补偿。实验结果表明,与传统均衡器调节方法相比,该方法能够在较宽的测试频率范围内输出平稳的声压信号;其次,利用修正前后的声学信号对扩张腔的传递损失进行测量,修正后得到的测试曲线与理论值吻合度较高,证明了该方法的可行性。     

Progress Report on NMIJ Acoustic Gas Thermometry at the Triple Point of Water

Herein, progress in the development of an acoustic gas thermometry (AGT) system at the National Metrology Institute of Japan is reported. This AGT system is an initial low-cost version that uses a 1-l quasi-spherical resonator (QSR) made of oxygen-free copper. The system was tested by measuring the speed of sound in argon at the temperature of triple point of water. Measurements were conducted at ten different pressures, ranging from 60 kPa to 420 kPa. The ideal gas limit of the squared speed of sound was obtained through extrapolation, and a preliminary calculation of the Boltzmann constant, which was 12 ppm below the CODATA2014 value, was made. Large inconsistencies among microwave and acoustic modes were observed, which are dominant sources of uncertainty in speed of sound measurements. The system will be improved by replacing the present QSR with another one that is more precisely fabricated.