基于光纤矢量水听器的浅海噪声矢量场特性研究

基于简正波理论分析了浅海噪声矢量场声压和质点振速的强度特性,仿真了浅海声压和质点振速的噪声强度在深度和频率上的变化特性,噪声矢量场强度特性仿真结果与实验测量结果一致。针对声场测量的有效性,给出了加速度通道自噪声谱级和灵敏度必须满足的关系式,并提出了降低自噪声对接收系统影响的两种措施。最后分析并对比了系统自噪声谱级和海洋环境噪声谱级,结果表明,声压通道的自噪声比环境噪声谱级低20 d B左右,Y通道和Z通道的自噪声比环境噪声低3.5 d B以上,X通道的自噪声谱级在200 Hz附近与环境噪声谱级最为接近,约比环境噪声低1.5 d B。     

青岛近海航船相关海洋环境噪声谱级特性分析

为了了解航船以及禁渔政策对我国近海海域低频环境噪声特性的影响,文章分析了青岛近海航道区域和非航道区域的海洋环境噪声在25～500 Hz频段实测数据的1/3倍频程功率谱密度。结果表明,在30～100 Hz频段,航道附近海域海洋环境噪声谱级比非航道海域高大约5～10 dB;非禁渔期在150～400 Hz频段的海洋环境噪声谱级比禁渔期高大约4～5.5 dB。文章获取的近海低频环境噪声谱级特性,对了解和利用我国以及世界范围内近海环境噪声低频特性具有较重要借鉴意义。     

深海海洋环境噪声垂直相关性研究

海洋环境噪声场是海洋中的固有声场,其空间结构特性是影响水声系统的重要因素之一。在风成海洋环境噪声波数积分模型的基础上,对深海噪声场的垂直相关性进行了研究。通过数值仿真讨论了深海环境下,海底声速、衰减系数、海面噪声源深度及接收器深度对均匀分布于海面附近的噪声源的垂直相关性的影响。仿真结果表明:噪声场的垂直相关随海底声速、衰减系数和接收器的绝对深度的变化较小;高频噪声的垂直相关性对噪声源的深度较敏感,低频噪声的垂直相关性受噪声源深度的影响几乎可以忽略。在此基础上,分析了某次海试噪声数据,并结合数值计算结果对实验测得噪声数据的垂直相关性进行了合理的解释。     

海面气象现象对海洋环境噪声的影响

介绍风和雨两种海面气象现象产生的海洋环境噪声,综述相关理论原理和实验结果,扼要归纳利用环境噪声数据反演估计风速与降雨技术,为进一步深入开展利用海洋环境噪声估计海面相关气象参数提供物理依据和技术基础。     

风雨条件下的水下噪声谱级预测

海洋表面的风、雨所产生的噪声是水下噪声场的重要组成部分。降水时雨致噪声可在比较宽的频带内决定噪声场的性质。在1~50kHz频段上,对已有的相关研究结果分析、综合,建立了一定风雨条件下的水下噪声谱级的经验预测算法。采用按频率线性分配大、小雨滴对噪声能量谱密度贡献的方法,在9~14kHz频段上对经验算法进行了修正。该修正经验算法不仅克服了经验算法在10kHz处经验预测值的跃变问题,而且通过两种算法预测值与某海域的实际观测数据的对比,表明修正经验算法比经验算法可以在更宽的频带内更加有效地预测一定风雨条件下的水下噪声谱级。     

基于设计基准条件的台风边界层脉动风速谱建模方法研究

利用在博贺峙仔岛观测站实测的台风黑格比数据,在莫宁-奥布霍夫相似理论框架内提出了一种数据驱动的考虑设计基准条件的台风边界层脉动风速谱建模方法。首先基于均匀各向同性湍流能谱需满足的基本模型准则,将六参数脉动风速谱统一模型简化为四参数谱模型;之后基于高频区和低频区脉动风速谱特征建立了四个谱参数的理论表达式,并利用实测的台风黑格比数据将谱参数理论表达式进行参数化处理,进而提出基于设计基准条件的脉动风速谱建模方法;最后利用台风黑格比过程中任意选取的四个1 h时长样本对上述脉动风速谱建模方法进行了验证,表明其与实测样本的风速谱具有较好的一致性。     

水下蛙人呼吸声Mel倒谱特征的实验研究

为提高水下蛙人呼吸声识别的准确度,提出一种基于Mel频率倒谱系数(Mel Frequency Cepstrum Coefficient,MFCC)的蛙人呼吸声信号特征匹配方法。计算呼吸声信号之间、信号与环境噪声及舰船辐射噪声的MFCC夹角和MFCC距离并进行匹配比较,以进行分类识别。某湖试验数据的处理结果表明:蛙人呼吸声与舰船辐射噪声及环境噪声的MFCC参数有着明显的差异,能够对蛙人呼吸声信号与干扰噪声进行区分,证明了基于MFCC特征算法的有效性,对发展港口、码头等近海海域附近的水下蛙人探测声呐和预警系统具有实际意义。     

基于提升小波变换的MFCC在目标识别中的应用

水下环境噪声对被动声呐目标的分类识别影响显著,为了提高水声信号识别系统对环境噪声的鲁棒性,采用提升小波变换方法提取MFCC特征,对水下被动声呐目标进行分类和识别。仿真实验表明,与传统MFCC和小波变换的MFCC相比,在信噪比相近的情况下,提升小波变换方法提取MFCC具有识别率较高、对噪声鲁棒性较好的显著优点。     

用以区分风成噪声与航船噪声特性的分析技术

描述了一种在感兴趣的海区中对环境噪声源(风成噪声与航船噪声)予以分类的分析技术,这时并不需要涉及该处环境的或船舶航行的情报。对于一个指定的地理区域,通过长期的环境噪声观察(两星期以上)找出自相关函数的过零点时间与环境噪声时间系列的频率之关系,就能对风成噪声与航船噪声、或两者的组合予以分类。从噪声级时间系列中获得的自相关函数(用无方向性水听器测量和通过1/3倍频程滤波器处理。)过零点时间的结果表明,它是限制于两个特殊过零点时间界限之内的。从四个相隔很远的地理区域之数据来分析,产生相同的界限值,这就意味着它们与海区无关。在1/3倍频程带宽下与风速有强相关的那一段谱内发现解相关时间(即过零点时间的范围)为26到40小时。在与风速无关的谱段内,就认为是由航船所引起的,它的解相关时间范围为4到8小时。对于由两种噪声组成的谱来说,解相关时间在8到26小时之间。所观察到的相关函数可用一个二项式来近似表达,这有助于在风成噪声级与航船噪声级之比为任何值之下来确定解相关时间。公式的每一项(一是与风速有关,而另一则与航船有关)都是正弦形式。它们的衰减参量等于它的相应的解相关时间平均值,正弦周期则为此值的四倍。     

某型蛙人运载器辐射噪声测量与特征分析

蛙人是港口和水下设施的重要威胁，蛙人运载器产生的辐射噪声是对依靠运载器执行任务的水下蛙人实施警戒探测的重要依据，目前利用声学系统被动探测是发现水下蛙人的有效手段之一。文章针对某型蛙人运载器的实际探测问题设计了声学测量实验，实验包括消声水池测量和海上测量两部分，目的是获取蛙人运载器的有效声学特征，包括声源级、指向性、功率谱、LOFAR谱和DEMON谱等，获得有效的轴频、叶频及其各次谐波簇。在实验测量的基础上，系统分析了某型蛙人运载器辐射噪声的典型时频变化特征，为水下蛙人运载器的警戒探测提供实测数据支撑。     

东中国海夏季海洋环境噪声特性分析

海洋环境噪声不仅是水中目标探测的背景干扰声场之一,还可用以反演海洋物理参数。文章基于实测东中国海某海区夏季海洋环境噪声数据,分析其时频特性、统计特性以及风关特性。研究结果表明,试验期间该海区100 Hz以下频段的海洋环境噪声级约为110 dB,频率为100和300 Hz的海洋环境噪声级分别服从自由度为8和6的卡方分布,频率为1 kHz和3 kHz的噪声级服从正态分布;海况对低频海洋环境噪声级概率分布无明显影响,但是对高频段噪声级正态分布的均值和方差会产生一定影响;随着频率的增加,海洋环境噪声级与风速对数间的相关系数逐渐增大,1 kHz以上相关系数在0.6～0.7之间;100 Hz以上频段的噪声谱级基本不随深度发生变化。文中的结果可以为水中目标的探测以及浅海海洋环境噪声的应用研究提供技术支持。     

台风作用下高耸结构动力响应及风振控制分析

高耸结构柔性较大,对风荷载较为敏感,相比一般风的影响,台风作用下的结构更易产生强烈的动力响应。考虑台风的基本特性,选取合适的台风风速谱,运用数值模拟方法,仿真得到了与结构竖向相关的18条脉动风载时程样本。利用有限元软件ANSYS建立某高耸钢塔结构三维空间有限元模型,并在时域内对设置粘滞阻尼器的结构进行控制效果分析,得到最优粘滞阻尼系数。研究表明：编制的MATLAB程序可较好的模拟高耸结构的台风脉动风载时程,风速时程的功率谱与目标值吻合得较好;设置粘滞阻尼器后结构的位移和加速度响应均有明显的减小,粘滞阻尼器是一种性能很好的阻尼器。     

基于矢量水听器的南海海洋背景噪声测试

矢量声压振速联合处理建立在信号的声压和振速相位基础上,海洋环境边界影响将改变矢量声场声压振速的幅度和相位特性．首先根据南海环境条件结合水下目标辐射噪声测量,采用声场矢量简正波理论估算海面非相干偶极子噪声和水下点声源矢量强度随深度的变化,然后设计了可用于深海海域噪声测量的矢量水听器测试系统,获取了南海海域典型深度上的背景噪声矢量强度并进行了特性分析．结果表明：深海背景噪声谱级在500Hz以下基本上不随深度变化,在500Hz～3kHz频段浅深度背景噪声谱级略高于较深深度的背景噪声;振速垂直分量的背景噪声要小于声压和振速水平分量的噪声谱级．     

B类风场与台风风场下输电塔的风振响应和风振系数

为研究常规B类风场与台风风场下输电塔的风振响应差异,以沿海地区某四回路角钢输电塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法生成两类风场下的风速时程,并在时域内进行了输电塔风振响应和风振系数的数值分析。结果表明：台风风场的高湍流特性导致其作用时各测点的顺风向风振响应均大于B类风场下的对应值。两类风场下,输电塔的风振系数比值约为1.25。因此,台风多发地区的输电塔设计必须考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应。此外还进行了气弹模型风洞试验,以研究不同风速下的气动响应和风振系数,并将试验结果与理论计算进行了分析比较,验证了数值分析的适用性。     

三维空间曲面结构风荷载的数值模拟

本文运用计算流体动力学技术,基于FLUENT 流体动力学数值模拟平台,采用雷诺平均法和大涡模拟技术,对球壳、柱面、悬链面、菱形马鞍面及椭圆双曲抛物面五类结构进行了定常、非定常流场的模拟计算。使用自回归模型的线性滤波法生成了脉动风速的时间序列,该脉动风速的时间序列很好地满足了预先设定的脉动风速谱和空间相关性要求,进而将其代入到实际计算的边界条件当中。将五类空间曲面结构表面风压的模拟计算结果与风洞试验结果定量比较：稳态计算得到的平均风压数据与风洞试验结果吻合理想,非稳态计算得到的脉动风压数据与试验结果差别稍大,其中正高斯曲面模拟精度高于负高斯曲面。     

强台风作用下近岸海域波浪-风暴潮耦合数值模拟

强台风作用会在近岸海域形成狂风、巨浪、风暴潮等极端环境,严重威胁跨海桥梁等近海工程结构安全。该研究采用Holland模型风场叠加宫崎正卫移行风场和ERA-Interim风场模拟台风风场,探讨了不同的最大风速半径经验公式对风场的适用性,同时驱动SWAN+ADCIRC波流耦合模式,模拟了强台风"玛莉亚"下台湾海峡及近岸海域波浪-风暴潮的发展过程,并分析了近岸海域波浪、风暴潮的分布特点。为证明方法的可行性和准确性,采用风、浪实测资料对数值模拟结果进行了验证。研究结果表明,叠加风场和TPXO潮汐模式共同驱动的SWAN+ADCIRC波流耦合模式,可以较好地模拟台风期间近岸海域波浪-风暴潮的生成与发展过程。     

温州滨海平坦地貌近地台风特性实测研究

为研究温州滨海平坦地貌近地台风特性,在温州滨海建立了风工程实测基地（塔高10 m）,并利用台风"菲特"和"麦德姆"登陆过程中不同高度处风速及风向实测数据,研究了10 m高度范围内的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱密度等风特性参数。结果表明:离地10 m高度范围内,实测风速剖面系数明显大于该地貌的规范取值,风速平均值和最大值均明显小于国家规范计算值;不同高度处横风向与顺风向湍流度比值随着高度减小而增大,实测湍流度与我国规范取值差异较大;顺风向,湍流积分尺度与平均风速之间的线性规律较好,随着高度增加湍流积分尺度离散性变大,湍流积分尺度的中位数与平均值差别不大,均小于日本规范;顺风向和横风向脉动风速功率谱有一定的变化,峰值频率和峰值都很接近,实测脉动风速的功率谱与Von Karman谱在数值上有一定的差异,但变化趋势基本一致。     

中小尺度嵌套下考虑停机位置的大型风力机体系风振响应分析

国内外风工程界采用的风力机体系风效应分析方法通常基于良态气候模式,而台风边界层风特性不同于良态气候模式,台风作用过程中会表现出明显的时空变异性和多尺度涡结构。针对现存土木工程台风模型理论体系过度简化的问题,引入考虑真实台风场强变异性和衰减效应的中尺度天气预报模式(WRF)对“鹦鹉”台风进行高时空分辨率模拟,重点对比台风登陆前、登陆时和登陆后台风风向和风强特征,并结合模拟台风中心路径与实测路径的对比结果验证了中尺度台风“鹦鹉”模拟的有效性。以中国东南沿海地区某风电厂5 MW水平轴风力机为对象,基于WRF模拟获得近地面三维风场数据,并结合小尺度CFD大涡模拟技术分别对叶片单个旋转周期不同停机位置工况进行三维非定常数值模拟。在此基础上,结合有限元完全瞬态法对不同停机工况进行了风振响应动力时程分析,提炼出停机位置对体系风振响应和风振系数的影响规律,最终归纳总结了台风作用下大型风力机体系最不利停机位置。结果表明:采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.076;台风下塔架内力和风振系数显著增大,尤其是与塔架相对位置最近的叶片风振响应最为不利,内力最大增幅达35%。分析发现:当台风作用下大型风力机处于停机状态,下叶片与塔架完全重合(工况1)时为最不利,旋转至上叶片完全重合(工况5)时安全余度最大。