弹性球壳声散射对矢量传感器测向精度的影响

由无指向性的声压传感器和具有偶极子指向性的振速传感器组成的矢量传感器,被应用于水声技术的各个领域;在实际应用过程中,常常把矢量传感器固定在某个水下平台上,而平台产生的散射场会使矢量传感器的接收声场发生畸变,进而影响其测量结果。本文以实际应用为背景,建立了弹性球壳障板的声散射场对矢量传感器测向性能影响的模型,并通过仿真分析了不同入射频率、不同观察距离、不同球壳厚度和半径条件下障板对矢量传感器测向精度的影响,研究结果为矢量传感器在水声测量中的应用提供理论支撑。     

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。     

水下目标低频辐射噪声矢量声场干涉测试分析

矢量传感器具有与频率无关的偶极子指向性,可以同步、共点和独立测量声场中的声压和质点振速,在水下目标辐射噪声测量领域得到广泛应用.本文采用虚源干涉模型和简正波矢量声场理论,计算和仿真分析了水下目标低频辐射噪声声压与质点振速近程声场的时间-频率干涉图案,利用单矢量传感器辐射噪声测量系统在北黄海海域对单个和两个目标的水下辐射噪声进行了测试和分析.结果表明:水下目标低频辐射噪声声场质点振速水平分量与声压的时间-频率干涉条纹具有相似性,而声场质点振速比声压的时间-频率干涉条纹清晰,且质点振速能够抑制目标与目标辐射噪声之间的干涉;利用质点振速LOFAR图,可以判定水下目标的数目,区分水面和水下目标.     

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。     

水下超高速航行体纵向运动的控制方法研究

水下超高速航行体的全部或大部分表面被空泡包裹,使其阻力显著降低而达到高速航行的目的.与常规水下航行体相比,水下超高速航行体的受力方式、力矩平衡以及弹道控制方法都有显著的差别.该文对超高速航行体的空化器受力、尾部滑行力等进行了系统的分析,建立了水下超高速航行体纵向运动的动力学模型及摔制模型.然后以空化器偏转角、航行体攻角及推力矢量偏转角为控制变量,采用线性二次型调节器方法设计前馈反馈控制器,完成了水下超高速航行体控制方法的仿真分析.仿真结果表明:该控制系统能够有效地跟踪控制信号,具有良好的控制品质.为进一步研究水下超高速航行体的控制问题提供了一定的理论参考.     

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     

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。     

水下无人航行器声学系统实收实发声隔离度分析研究

对某水下无人航行器声学系统在特定间距及频段条件下实收实发声隔离度进行了分析研究。在分析某水下无人航行器载体基本结构特征的基础上,通过ANSYS有限元建模仿真软件,对航行器声学系统实现实收实发的指向性和隔离度进行了仿真计算,并在消声水池对航行器声学系统实收实发隔离度进行了实验测试。研究结果表明,收发间距为3 m时具有一定的收发隔离度,若对隔离度有更高要求,则需采取调整收发换能器间距或对接收水听器加装吸声障板等技术措施,可为水下无人航行器声学系统设计及实现实收实发提供技术支持。     

考虑空化作用的潜射航行体弹道仿真

该文基于独立膨胀原理研究了潜射航行体的自然空泡形态及小机动条件下空泡轴线的偏移,采用细长体理论计算了航行体部分沾湿区的流体动力,建立了纵平面内潜射航行体水下运动数学模型。针对自然空化条件下潜射航行体水下航行段弹道进行了仿真分析,仿真结果表明,艇速干扰使弹道出现弯曲,艇速越大,航行体出水姿态角越大,不利于出水姿态的稳定,而空化作用产生的附加径向力在一定程度上对航行体姿态起到矫正作用,仿真计算结果与模型试验结果符合较好。     

减小噪声影响的矢量传感器定向方法研究

1引言 单个矢量传感器就已经包含了目标的方位信息,所以可以实现小尺度定向[2];矢量传感器还具有与频率无关的指向性,可以工作在低频或甚低频下[2],这些特性使得矢量传感器的应用越来越受到关注,如何提高其定向性能便成了一个研究热点.本文对声矢量传感器现有的方位估计方法进行讨论分析,并推导出了具有更高性能的新方法.     

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。     

宽带水声参量阵指向性设计与实验验证

利用宽带水声参量阵可产生高指向性宽带低频声束,推导了宽带水声参量阵生成低频声束的自解调理论模型,对其换能器指向性进行了分析与设计,并研制出了宽带水声参量阵样机。测试结果表明：该样机产成的2 kHz声束的-3 dB指向性锐角约为2.6°,具有很好的指向性,且旁瓣抑制效果好,能够产生无旁瓣的高指向性低频声束。这为解决浅海水声通信的多途干扰、远程水声保密通信等问题提供了一条新思路。     

稀疏矢量阵设计的模拟退火算法

对于均匀间隔线列阵,由采样定理可知,当阵元间距超过信号波长的一半时,指向性图会产生与目标等高的栅瓣。为了获得高分辨率,同时避免栅瓣出现,需要大量的传感器。为了减少设备复杂度,可以采用稀疏布阵技术,以较少的阵元获得较高的分辨力。将模拟退火算法应用到稀疏矢量水听器阵的设计中。通过优化阵元位置控制指向性图,可以获得无栅瓣的指向性图。给出了优化后的稀疏矢量阵与均匀间隔矢量阵的指向性图比较。     

Broadband EMFi-based transducers for ultrasonic air applications

In this work, we explore the possibilities of electromechanical film (EMFi) as a new material for developing broadband transducers for ultrasonic air applications. The advantages of the EMFi film are its wide usable frequency range and easiness to use, making it highly suitable for self made, customizable ultrasonic sensors. This paper presents theoretical and experimental information focused on the needs of the sensor's end user, namely, frequency response, actual dynamic mass and Young's modulus, bandwidth, sensitivity, electromechanical dynamical model, acoustic response, and directivity. It is found empirically that the behavior of the film as an almost ideal piston-like acoustic source permits accurate prediction of the characteristics of transducers built on a developable surface. The results obtained represent the first step to more complex geometries, and, ultimately, to completely customizable field ultrasonic transducers.     

用耦合有限元／边界元方法研究加筋板的声传输

采用耦合的有限元／边界元方法,建立了考虑流体结构耦合的加筋板结构声传输计算模型,并利用该模型计算研究了加筋板的声传输特性。数值计算表明：结构的传声损失与结构的固有频率和激励频率密切相关,避免共振仍是产要的;改变板厚或肋骨惯性矩后,由于结构固有频率发生了变化会使得结构传声损失曲线上极小值的位置发生改变;当声波从空气经结构向空气中传递时,增大板厚或肋骨惯性矩可明显增大结构的传声损失;而当声波从空气经结构向水中传递时,增大板厚或肋骨惯性矩也增大了结构的传声损失,但效果明显不如当声波从空气经结构向空气中传递时显著。     

低频矢量声场建模及其应用研究

浅海近距离矢量声场携带了丰富的信息可以用来识别目标。采用射线理论对浅海低频矢量声场进行建模,并且分析了该模型在浅海或深海低频时的适用性。经过与波动理论的比较,说明该模型仅是矢量声场传播损失的简单近似。通过分析浅海声压场的特性,提出了一种目标运动参数估计的方法,海试数据分析说明了其有效性。近距离目标辐射的低频宽带噪声通过浅海声场后,在LOFAR图上形成双曲线干涉条纹。运用图像处理中边缘提取的常用方法——Hough变换,提取双曲线参数,可以得到运动目标的航速、航深及距离的信息。     

High-spatial-resolution sub-surface imaging using a laser-based acoustic microscopy technique

Scanning acoustic microscopy techniques operating at frequencies in the gigahertz range are suitable for the elastic characterization and interior imaging of solid media with micrometer-scale spatial resolution. Acoustic wave propagation at these frequencies is strongly limited by energy losses, particularly from attenuation in the coupling media used to transmit ultrasound to a specimen, leading to a decrease in the depth in a specimen that can be interrogated. In this work, a laser-based acoustic microscopy technique is presented that uses a pulsed laser source for the generation of broadband acoustic waves and an optical interferometer for detection. The use of a 900-ps microchip pulsed laser facilitates the generation of acoustic waves with frequencies extending up to 1 GHz which allows for the resolution of micrometer-scale features in a specimen. Furthermore, the combination of optical generation and detection approaches eliminates the use of an ultrasonic coupling medium, and allows for elastic characterization and interior imaging at penetration depths on the order of several hundred micrometers. Experimental results illustrating the use of the laser-based acoustic microscopy technique for imaging micrometer-scale subsurface geometrical features in a 70-μm-thick single-crystal silicon wafer with a (100) orientation are presented.     

Detection of photoacoustic transients originating from microstructures in optically diffuse media such as biological tissue

The generation and detection of broadband photoacoustic (PA) transients may be used for on-axis monitoring or for imaging of optically different structures in the interior of diffuse bodies such as biological tissue. Various piezoelectric sensors are characterized and compared in terms of sensitivity, depth response, and directivity with respect to spherical broadband acoustic pulses. The influence on the sensor output of acoustic interference and refraction of the PA transients at the sample-sensor interface is discussed. Ring detectors are suitable for deep on-axis detection thanks to their strong directional sensitivity, and small disk sensors are most suited for 3-D imaging of microstructures such as the (micro)vascular system. Voltage and charge preamplification schemes are compared in terms of the signal-to-noise ratio (SNR). In all cases, the preamplifier noise turns out to be the limiting factor for the sensitivity. Based on experimental data, for several sensor types and optical wavelengths, the theoretical detectability of PA signals generated by blood-like absorbers in biological tissue is discussed     

矩形平板远场声压级分析

研究矩形平板的远场声压级,建立简支边界矩形障板和滑移边界矩形障板模型。采用傅里叶变换获得远场声压级,分析点激励载荷和线激励载荷作用下远场声压级的变化规律,并讨论激励载荷位置以及结构物理特性参数对远场声压级的影响。结果表明,远场声压随着激励载荷靠近边缘而减小,相对于简支边界而言,滑移边界能增强远场声压级。随着损耗因子、板厚的增大,将减小整个频率段内的远场声压级。另外,板密度对远场声压级的影响在低频段和高频段也呈现不同的变化规律。通过声压级变化规律的分析研究,能为声学元件设计和噪声控制机理的分析提供一定的依据。