修正一阶Born近似改进水中弱散射目标的散射声场预报

在推导Fourier衍射定理中运用一阶Born近似时忽略了弱散射体内外的波数差异,使散射声场方向特性的预报产生较大误差,针对这一问题,对一阶Born近似进行修正。考虑散射体内外波数差异引起的幅度和相位误差,通过调整频域采样圆弧半径并移动圆心位置得到了修正的一阶Born近似解。由于更准确地反映了目标与周围水介质的声学性质,有效提高了散射声场的预报精度。根据修正的Born近似计算了弱散射条件下无限长圆柱目标的散射远场指向性,结果与严格解相吻合,对其它形状截面的柱状目标也得到了合理的计算结果。     

水中目标自由场声辐射特性还原及远场声辐射热区识别

获取水中目标的声特性对目标识别和分析十分重要。为解决水中目标声特性测试中自由场条件难以实现的问题,消除结构表面能量流对远场声辐射热区识别的干扰,提出结合基于边界元自由场还原技术和表面贡献法的声场分离技术,实现水中近场非自由场环境中获取水中目标的声特性和识别远场声辐射热区。数值模拟结果表明：非自由环境下基于边界元的声场还原方法还原得到的声场声压、声功率等特性,与直接在自由场获取的结果基本相同;进一步利用表面贡献法过滤掉循环于振动结构表面的能量流,能够在近场识别远场辐射热区。该方法突破了测试环境限制,可大幅降低测试费用,具有一定的工程应用价值。     

水中目标窄带噪声识别的听觉外周模型

为解决听觉外周模型特征在具有工程背景的水中目标声信号分类研究中识别率下降问题,提出了一种外周模型Gammatone滤波器组修正方法,获得的窄带噪声特征可明显提高水中目标识别性能。首先,分析了识别率下降原因,发现声学工程应用中多通道数据采集,导致信号频率范围变窄,而引起声信号的时频特征发生变化。其次,根据听觉模型用Gammatone滤波器组模拟人耳基底膜频率分解特性、低频信息包含水中目标噪声信号的重要类别特征,对原有的听觉模型特征进行插值,对滤波器组的通道数与中心频率进行适应性修正,得到目标噪声在较窄频带的27维特征,修正后的模型能够更精细地反映出目标时频特性。最后,采用神经网络分类器进行实验。结果表明,修正后的听觉模型保留了原较宽频带特征的主要信息,而且进一步提高了对实际目标的分类能力,识别率由原来的82.59%提高到88.80%。本文提出根据工程应用平台的有效接收频带优化听觉外周模型Gammatone滤波器组的设计,采用阵元级的多通道数据进行分析,侧重于工程应用,解决了多通道数据采集中,由于频带变窄,导致信号的特征信息量下降,进而引起声特征识别性能下降的问题,修正后的听觉模型特征,有效地提高水中目标辐射噪声的识别效果。本文对从事无源声呐目标识别、有源声呐目标识别、带宽受限的多通道声数据采集的时频特性分析研究人员具有一定的参考价值。     

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。     

船舶辐射噪声源模型的试验验证

任何船舶在运动过程中其机械设备的运转,以及船体本身的运动,都不可避免地会产生噪声,这种噪声在水中向周围传播,就在水下形成了随时间和空间分布的船舶辐射噪声场。由于船舶体积庞大、设备众多,在近场是一个十分复杂的体积声源,其声场具有时、空变化特性和指向性,在测量船舶水下辐射噪声时,为保证获得足够的信噪比,通常只能在近距离进行测量。因此开展船舶体积声源的建模研究,是十分重要和必要的。为了验证浅海波导条件下的船舶辐射噪声源模型,在某浅海海域,测量了一艘渔政船的辐射噪声。实测数据的处理结果验证了船舶辐射噪声源模型的有效性,即利用建立的船舶辐射噪声源模型可有效地描述体积声源的声场分布。本文的研究成果对于分析船舶目标的固有特性具有指导意义。     

水中板声辐射的声功率模态分析

由于水中结构的振动声辐射要考虑流体加载效应,因此水中结构声辐射的模态分析也与空气中的有所不同。基于辐射声功率的二次型表达式,采用有限元和Rayleigh积分耦合方法,对板结构的水下声功率模态进行了计算分析研究,通过辐射效率、模态振型和辐射声功率等探讨了其特点。结果表明以激励力为变量、考虑了结构阻抗的水下声功率模态具有各阶模态声辐射独立、低频时前几阶模态(特别是第1阶模态)的声辐射占主导地位、模态辐射效率峰值和模态振型物理意义清楚等特点,在水下结构振动声辐射的分析和控制方面有一定实用价值。     

面向海参养殖的物理信息融合系统

国际海参养殖业一直采用传统的人工生产方式,存在工艺落后、效率低下的严重问题,无法满足迅速增长的市场需求.针对这一问题,将CPS 思想引入水产领域,详细分析了CPS 的理论特点和实际意义,并根据CPS 体系结构设计了一种海参养殖的物理信息融合系统,包括环境监测子系统、信息处理传输子系统、过程控制子系统和远程决策控制中心等4 部分.针对物理与信息过程交互的特点,采用自动机理论对物理过程建模并加以验证,以确保整体系统组构的可靠性.该系统的主要部分已经完成部署,实际观测数据表明,其能够有效完成海参养殖的监控功能.系统还具有良好的扩展性,通过与领域专家的深入合作,还可将该系统推广到更广泛的水环境应用领域.     

船舶辐射噪声远场空间指向性

为了获得浅海波导条件下船舶辐射噪声的远场空间指向性,提出了一种由水听器获得的船舶辐射噪声近场声压数据,推算其远场辐射声压的方法,即由近场声压数据,反演出船舶辐射噪声源模型中的多极子强度和位置,然后利用简正波理论,计算该反演参数所对应的远场指向性.仿真计算过程中,将该方法获得的远场指向性与原假设声源直接计算的远场指向性进行对比.结果表明,该方法能有效的计算出船舶辐射噪声的远场空间指向性.     

听觉外周计算模型在水中目标分类识别中的应用

 听觉外周的理论和建模已取得长足的发展,并已广泛应用于语音信号处理.本文集成Gammatone听觉滤波器和Meddis内毛细胞模型来模拟耳蜗的处理机制,并根据水中目标辐射噪声信号的特点对Meddis模型的参数进行了修正.提出基于Gammatone-Meddis听觉外周计算模型的水中目标特征提取方法,得到一个23维的特征向量.对大量海上实测数据的分析表明该特征具有以下优点:(1)分类识别效果好,对测试集识别率达到94%以上;(2)抗卷积噪声能力强,对原始信号加入卷积噪声,识别能力没有下降.最后通过实验证明基底膜对频率的非线性选取和内毛细胞都能够很好地抑制噪声.