参量阵声源波束宽度影响因素分析

波束宽度是衡量参量阵声呐性能的重要技术指标之一,在设计时应该对其正确掌握,以保证整机性能.文章以圆形活塞换能器形成的参量阵声场为例,利用维斯特维尔特(Westervelt)理论和Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程分别计算了参量阵声场波束宽度,通过试验验证了KZK数值计算用于分析波束宽度的准确性及对远近场的适应性,并指出利用Westervelt理论计算参量阵声源波束宽度的不足。然后通过仿真,分别分析了频率、吸收系数、阵长与参量阵波束宽度间的关系,并从物理意义上解释了阵长对参量阵声场波束宽度的影响。     

矩形孔径参量阵相控非线性声场建模与实验研究

为了解决一阶抛物近似KZK方程无法直接对相控非线性声场进行建模的问题,依据原频声场准直特性构建等效参量阵原频自然指向性声场模型,建立其与原频相控声场的等效关系,将相控非线性声场的建模问题转换为等效参量阵声源条件的求解问题,同时提出算子分裂时域有限差分数值计算方法,实现了基于KZK抛物方程的矩形孔径参量阵相控非线性声场数值计算。以SES2000标准型参量声呐辐射相控非线性声场为研究对象,开展了计算机仿真和水池对比实验研究,研究结果验证了构建声场模型及其数值计算方法的有效性。     

不同波束形成的参量阵近场比较

文章采用KZK方程数值求解均匀平面阵,聚焦阵及非衍射阵形成的参量阵波束近场声场,比较了不同波束声轴上的原、差叔声压级及声截面。     

一种声学参量阵的研究

对参量阵激励信号进行了分析设计,并通过参量阵样品的实际测量,对不同激励信号下参量阵自解调声场的特性进行了验证,结果表明:单边带调幅信号输入时声场的谐波幅度较双边带调幅信号输入时的谐波幅度小,并且差频波声源级高;参量阵在相同激励信号下,差频波声源级随输入功率的增大而迅速增大,但功率太大可能会导致功率放大器产生非线性作用,从而增大谐波幅度。     

不同媒介中的参量阵近场声场研究

在众多描述非线性声波传播的理论模型中,KZK方程能够准确地描述有限振幅声波传播的衍射、吸收及非线性效应,对求解参量阵近场声场有着明显的优势,因而成为描述非线性声场最为精确的方程之一。从KZK方程的频域求解出发,利用二阶对角隐式龙哥库塔法(second-order Diagonal Implicit Runge-Kutta,DIRK2)和Crank-Nicolson有限差分法(Crank-Nicolson Finite Difference,CNFD)相结合的有限差分算法,对在不同媒介中传播的参量阵近场声场特性进行研究,旨在对参量阵能量累积过程有进一步的理解,为参量阵转换效率的提高提供初步的探索,为参量阵的进一步工程应用提供相应的理论指导。     

水平阵匹配场定位技术研究

本文利用数值仿真及实验数据对水平阵匹配场定位技术进行了研究,并讨论了水平阵长度、水平阵阵元间隔等参数对水平阵匹配场定位结果的影响.数值计算与实验结果表明,对于具有一定长度的水平阵可以利用匹配场定位技术对目标进行较准确的定位.     

相控线阵声源在套管井中的应用

在常规的单极子套管井测井中,由于过套管测量,即使在I、II界面均胶结好的状况下,测量的地层波信息也比较弱。利用相控线阵声源的声束偏转和能量聚焦技术,可大大提高声源的辐射强度和信噪比。采用FEM有限元软件建立了套管井和相控声源的二维模型,计算了点声源和相控线阵声源在套管井中的声压波形。计算结果发现当控制相控线阵阵元间延迟时间使其辐射主声束偏转角满足地层纵波发生临界折射时,可以明显增强地层波幅度,即使在I界面或II界面胶结不好时也可观测到地层波,因此利用相控线阵声源的强穿透性可以帮助我们在套管井胶结不好的情况下探测地层。     

聚焦参量阵原频声场抑制方法的研究

在近距离海底底质原位探测中,使用多阵元聚焦技术能弥补参量阵中差频信号能量较低的不足,但也会使得声焦点处的原频信号能量过高,导致接收系统信号波形限幅,引起波形失真,此外在声场测量时也容易造成传感器损坏.基于KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov)方程和Berktay包络自解调理论,以声焦点...     

基于四元十字阵的低频换能器指向性检测方法

针对大型低频换能器指向性难以测量的问题,提出了一种基于四元十字阵的测量方法以获取大型低频换能器的指向性。利用到达四元十字阵阵元的时延差信息,结合双曲面交汇法对换能器进行定位,并根据四元十字阵阵元测得的声信号实现大型低频换能器指向性的测量;对定位算法进行理论仿真,设计并进行了湖上试验以测量模拟声源的指向性;对湖上试验测量数据进行计算分析,并与模拟声源在消声水池中的测量结果进行比较,两者-3 dB波束开角的测量结果相差在10%以内。此方法可以用于低频换能器指向性的测量。     

参量相控发射阵的研制

本文介绍参量阵在信息传送、水下电话、海底剖面测量等应用的近年发展,以及参量相控发射阵在提高参量声呐性能方面的潜力:阐述矩形参量相控发射阵的设计和性能计算,给出测试结果。所研制阵的两个原频声波频率分别为f_L=41～45kHz,f_H=46～49kHz。差频声波频率f_N=3～8kHz。波束宽度θ_(-3dB)=6.7°,随f_s变化很小。在f_s=7kHz时,差频声源级SL_s超过186dB,参量增益G约为-41dB。在相控信号激励下,差频波束与原频波束同步扫描,在相控角θ_0不大时(θ_0≤12°),θ_(-3dB)几乎不随θ_0变化,当θ_0=12°时,SL_s平均下降2.2dB,可满足多波束发射的需要。     

介质扰动对声波的调制效应-参量接收阵及其他

文章从Lighthill方程出发,对介质扰动产生声传播非线性效应的国内、外研究情况进行了综述性介绍,重点介绍声波在被声场中同时存在的另一声波所扰动的介质中传播而产生的所谓“声散射声”现象,特别是由此而衍生的参量接收阵的理论、试验以及应用情况。绝大多数关于参量接收阵的理论和实验研究,都是着眼于其在小的径向(垂直于声传播方向)孔径条件下实现低频窄波束接收的特性,但这篇文章主要关注利用参量接收阵实现低频高增益接收的理论和试验研究;除重点介绍了国内、外的试验情况外,还特别关注将参量接收阵进行工程应用时面临的关键技术难点以及可能的解决思路。此外,文章还针对另一种介质扰动对声传播的调制效应,即“流散射声”,以及国外与此有关的工程应用、特别是苏联进行的号称超远程探潜应用进行了介绍和分析。     

锁定放大技术在参量接收阵中的应用

为抑制泵波影响,提取参量接收阵中的微弱差频信号,根据微弱信号探测原理,设计了一个基于锁定放大技术的参量接收阵系统。简要介绍了参量接收阵原理,详细描述了锁定放大技术,以及所设计的参量接收阵系统的工作过程,给出泵波比差频高130 dB时的仿真数据。结果表明,采用锁定放大技术后的参量接收阵系统可对接收的差频信号优化约5 dB。     

参量阵及其在水声工程中的应用进展

参量阵技术因其可以在小的基阵尺寸下获得低频窄波束,且波束无旁瓣,并容易获得较大的信号带宽,从上个世纪60年代起获得了广泛的关注和深入的研究,并且在水声工程和超声成像领域获得了比较广泛的应用。文章介绍了参量阵产生次级声场的基本原理、参量阵声场的特点以及相关的物理和数学模型,回顾了参量阵技术在水声工程中的主要应用历史,特别指出了其最成功的应用是高分辨率海底底层剖面仪,因为这个应用最大限度地回避了参量阵技术面临的两个主要问题：转换效率低因而差频声源级不高,以及实现多波束困难因而探测效率较低,并从物理和工程角度深入探讨了这两个问题,提出了进一步研究的重点和对未来应用的展望。     

座底式长基线水声跟踪系统校阵方法研究

为了解决座底式长基线水声跟踪系统的高效校阵问题,结合工程项目实际提出一种智能化分组并行校阵方法。该方法利用水下基阵布阵施工时获得的水声及差分全球定位系统(Differential Global Positioning System,DGPS)测量数据为基准,在校阵试验中采用多个水下基阵分组并行校阵的快捷方式,根据自动反馈的测量数据进行校阵误差收敛测量,当满足事先设定的校准误差后,获得水下基阵的精确位置信息,同时完成多个水下基阵的阵型校准。最后,在某水域采用跑船试验的方式进行验证。长基线系统测量的船只航行轨迹与DGPS轨迹重合性好,证明该方法具有智能化程度高、测量精度高、测阵效率及经济性好等优点,具有较高的军事及民用价值。     

基于参量阵系统的神经网络PID逆控制及仿真研究

针对参量阵系统这样一个强非线性声学系统的声音输出扭曲问题,提出了神经网络自适应逆控制策略。首先介绍了参量阵系统的逆模型,并由参量系统模型和它的逆模型构成一个伪线性系统。控制系统中的BP网络自适应调节PID（ProportionalIntegralDerivative）的三个控制参数,并利用PID控制参量阵系统。通过对MATLAB建立的复合逆控制模型进行仿真研究。仿真结果表明：神经网络PID控制具有较高的控制精度和适应性,可以获得良好的控制效果。     

基于相控阵激光超声的裂纹衍射增强试验研究

针对超声衍射时差法(TOFD)存在检测精度较差、区域检测可靠性不够和信号信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)低等问题,提出了一种基于光纤皮秒激光器和高速旋转镜的相控阵激光超声裂纹检测方法。利用有限元方法模拟热弹机制,建立二维瞬态激光超声力-固耦合模型产生横波与纵波在缺陷处发生的衍射现象,分析了裂纹尖端不同奇异点、声波不同中心频率和相控阵激励源不同位置对声波衍射的影响,通过衍射信号的信噪比和位移幅值两个计算指标来分析变化规律,并进行了试验验证。结果表明:数值模拟与试验结果有较好的一致性,相控阵激光源较传统单束激光源对衍射信号幅值和信噪比有明显的增强作用,纵波衍射信号信噪比较理想;衍射信号幅值随裂纹尖端奇异点增加和声波中心频率减小而增大;信噪比随尖端奇异点增加而增大,随声波中心频率一定范围增加无明显变化,随激光源距离的增加呈现先增加后减小的趋势;缺陷定量分析时计算出的裂纹长度与实际裂纹的误差均不超过6.8%。