空气声源入水噪声试验研究

1.引言 最近,空气声源激发的水下声场受到了人们的重视.有关理论表明可以通过简单的计算得到空气中静止声源产生的水下声场[1]～[3],国内也有文章发表[4],但仅限于理论,有关试验研究未见报道.为了更进一步了解浅海环境下空气声源激发的水下声场特性,我们于2003年3月组织了空气声入水海上试验,测量静态声源在空气中激发的声信号在水下产生的声场.     

空气中移动声源激发水下声场的频域简正波表示

文中提出了空气中移动声源激发水下声场的简正波频谱表达式。该表达式物理意义明确,形式简单,易于数值计算。利用文中表达式对目前比较流行的简正波程序Kraken进行了改进,通过与波数积分法OAST的计算结果进行比较,验证了所提表达式的正确性。通过数值模拟,对声源与接收相对运动时对声场产生的影响进行了讨论。     

空气中风和声速剖面对空气声透射入水影响

在研究空气声源激发的水下声场时,通常假定空气为静止、均匀半空间,而没有考虑空气中实际声传播条件(风和声速剖面)的影响。在基于传播矩阵的快速场模型基础上,可得出计算运动介质中声传播的二维快速场模型FFP2DM,和远场近似条件下的一维快速场模型FFP1DM。用这两个模型,对空气中风和声速剖面对空气声透射入水的影响进行研究。结果表明:空气中风速剖面和声速剖面对空气中声传播有很大影响,但对于透射进入水中的声波影响很小。     

Pekeris波导环境中的水下运动声场仿真研究

对Pekeris波导环境中水下运动声源的声场进行了研究。将Pekeris波导中数值稳定的波数积分解和一维近似的波数积分方法运用于求解运动声源的声场。推导了运动声源声场的二维波数积分表达式,给出一维近似解,并在计算深度格林函数时引入数值稳定的计算方法。在仿真实验中,首先在自由空间条件下验证了一维近似的波数积分方法的准确性;再结合Pekeris波导中数值稳定的波数积分方法来分析运动声源的声场特性。通过改变波导和声源、接收器条件仿真研究Pekeris波导中运动声源声场的频率展宽和频移特性。     

封闭水池中非自由场重建的实验方法

为实现水下封闭空间中非自由声场的重建,提出一种单全息面的声波分离方法。用声场中不同位置声压的球谐函数展开描述非自由声场,并在声场重建过程中剔除环境噪声,达到目标声源的直达声与环境噪声分离的目的。在六面反射的封闭水槽内,进行非自由声场重建的实验,获得了目标声源的直达声,并与消声水池中的测量结果进行对比,表明:基于单全息声压测量面的声波分离方法可以有效重建水下非自由声场,声波分离后目标声源辐射声场的重建误差小于30%。     

基于波叠加方法的水下声源辐射声场预报及实验研究

根据基于波叠加方法的声全息技术研究了水下声源的辐射声场预报问题,通过水听器阵列测得的复声压预报三维空间声场的声特性。数值仿真分析了一有限长圆柱壳模型在不同频率力激励作用下的声场预报精度,发现测量阵列尺寸与结构尺寸相近即可准确预测声场。水池和湖上实验分别对柱形换能器声源和加肋双层圆柱壳受激辐射声场进行了预测并和实测值进行了对比,结果表明该方法是一种稳健有效的声场预报方法。不同频率下,二者误差一般在3dB以内,能够满足工程需要。为实际水下大型结构的空间声场预报和降噪性能预估提供了工程参考。     

基于Gabor-Hough变换二值积累的空中声源过顶检测研究

从航空声源水下声场建模出发,提出了对运动声源过顶信号检测的Gabor-Hough变换二值积累检测算法.声源激发的水下过顶信号在短时间内可以用线性调频信号提供良好的近似,采用Gabor-Hough变换将过顶信号的检测转化为参数空间中的局部峰值检测,而Gabor-Hough变换对强分量杂波掩盖下的弱分量检测能力有限,针对空中声源辐射噪声能量差别较大的特点,提出了二值积累方法检测声源激发的水下信号,仿真实验结果验证了该算法的有效性.     

旋转点声源声场的数值仿真计算

旋转声源辐射声场的计算是利用点源模型预测风扇离散噪声的关键所在,对叶片式机械气动噪声的研究具有重要参考价值.提供了在任意边界条件下计算旋转点声源辐射卢场的数值仿真计算方法.将连续的旋转声源离散化,处理为分布于旋转轨迹上的有限个固定点声源.利用离散化处理后的声源,通过边界元法分别计算旋转单极子和旋转点力源的辐射声场.在自由空间内的计算结果与理论解进行了对比验证,得到较为理想的结果:另外进行了有限长圆管内旋转点声源辐射声场的数值计算,由此对不同长度圆管的结果进行对比,分析了管道长度对声场分布以及指向性的影响规律.     

基于圆柱近场声全息的水下声源定位实验验证

为提高水下航行器的声隐身性,或者减少其对海洋环境的噪声影响,噪声源的定位与识别对于制定合理的控制方案具有重要的工程价值。同时,对水下航行器的声辐射特性进行评估和管理是其升级和使用过程中不可或缺的环节之一。近场声全息技术利用在船体表面附近测量面测得的声压数据,采用声场变换方法,既可反向重建辐射声源面声场从而定位船体上的噪声源,也可正向重建测量面外部声场从而预测远场声辐射。通过OROS水下声全息软件展示如何利用NAH进行声源定位和远场预测,该软件是目前市场上唯一的水下近场声全息解决方案。考虑到水下航行器以圆柱体结构居多,本文开展了圆柱近场声全息的实验研究,得到了准确的辐射声场信息,验证了该方法的准确性和有效性,为圆柱近场声全息技术的水下工程应用提供参考。     

空气声源激发的浅海声场的理论研究

研究了将空气中声速分布建模为Epstein分布,水层和海底均为均匀分布的三层介质模型的条件下,空气中点源激发的水下声场。既推导得到了声压场的形式解,通过数值分析,表明空气中点源激发浅水波导,在水层中形成的波导简正波具有实数本征值,可以远距离传播,称其为"水波"。空气层中的Epstein波导简正波在水层中为非均匀波,传播速度取决于空气中声速,称其为"水面波",并指出空气中声源运动产生的水面波多普勒频移大于水波多普勒频移。