水声发射换能器技术研究综述

水声发射换能器种类繁多,通常按工作频率加以区分.在低频段给出了几种工程上常用的低频大功率换能器的结构形式,并讨论了提高换能器工作极限的技术途径,同时还指出速度控制对低频声基阵的重要性.在中频段主要给出了拓展换能器工作带宽的各种结构形式及一种新的设计方法,并讨论了新材料应用及宽带匹配技术.在高频段给出了陶瓷颗粒簇匹配层换能器的等效电路,同时分析了高频换能器基阵机电一体化设计的发展趋势.结果表明,新结构、新材料、新工艺仍是推动水声发射换能器不断发展的技术途径.     

压电复合圆盘水声换能器弯曲振动理论与参数

为使小尺寸压电复合圆盘水声换能器具有良好的低频响应性能,采用能量法对三叠片压电圆盘复合振子水声换能器的振动特性进行研究,给出了弯曲圆盘水声换能器的基本参量表达式,得出了在简支边界条件下,等厚三叠片所构成的压电圆盘具有最大等效机电耦合系数。通过实际结构水声换能器实验,结果表明:采用不同的金属基板,发现在有效机电耦合系数上,锰黄铜的性能要稍微优于铝合金和钛合金。在谐振频率方面,其实测值与理论计算值相差不大,采用能量法进行近似理论分析比较切合实际,为此类压电水声换能器的设计和实际应用提供了参数设计计算方法。     

复合连通型压电水声换能器基阵的研究

针对压电水声换能器自由场电压接收灵敏度问题,以Cymbal换能器为压电相,聚氨酯为聚合物相,构成了具有1-3复合连通型特征的压电复合水声换能器平面均匀并联基阵.建立了基阵数学模型;制作并测试了该基阵的自由场电压接收灵敏度.结果表明,该种结构的压电复合水声换能器的自由场电压接收灵敏度与阵元的体积分数有关;与阵元的间距有关,阵元间距在对应于辐射因子为零处时,可得到该基阵的自由场电压接收灵敏度的最大值;其自由场电压接收灵敏度的实测值与理论值有很好的吻合程度,基阵的基波谐振频率比单个换能器阵元的基波谐振频率明显降低.     

一种新型水声发射换能器的结构设计

换能器的结构参数和各部件的材料决定了换能器的性能。为了改善换能器的指向性,设计了一种新型结构的发射换能器。根据换能器的工作频率要求,利用换能器振子的共振频率公式计算了换能器的尺寸,使用有限元法对设计结构进行了仿真分析,并将振子的谐振频率与实际测量值进行了比较。结果表明,实测结果与理论估算及仿真值符合的较好,为换能器的结构设计提供了参考。     

Cymbal单元的薄型低频宽带水声发射换能器设计

为了研究安装方便、便于携带的薄型低频发射换能器,使用有限元法对Cymbal换能器单元的设计结构进行了仿真分析,并将换能器单元的谐振频率与实际测量值进行了比较.将Cymbal换能器单元进行阵列,设计了一种新型的低于10 kHz薄板型水声发射换能器,对一个厚度为25 mm、辐射面积78.5 cm2的薄板发射换能器实验模型进行了测量与标定.研究结果表明,通过阵列Cymbal换能器单元构建的发射换能器是一种工作在10 kHz以下的薄型低频宽带水声换能器,其发射声源级比尺寸类似的1-3型压电复合材料换能器高20 dB.     

基于1-1-3型压电复合材料水声换能器性能分析

为提高高频水声换能器的性能,提出了一种基于1-1-3型压电复合材料的带有梯形匹配层的水声换能器设计。应用有限元方法分析了有无匹配层对复合材料电性能、辐射端振动位移的影响。并研制了带匹配层和不带匹配层的2种水声换能器。测试结果显示引入匹配层使得水声换能器在谐振频率为360 kHz时最大发送电压响应达到169.4 dB,接收电压灵敏度为-190 dB,-3 dB下接收信号带宽最大可达70 kHz,最大声源级达到208 dB。发送电压响应比没有匹配层的换能器提高了3.8 dB、声源级提高了6 dB、接收带宽拓宽了1.45倍。     

基于局部投影理论的水声信号降噪处理研究

采用基于非线性动力学系统的局部投影非线性降噪理论，研究了水下目标舰船辐射噪声的非线性降噪问题。在讨论嵌入维数和延迟时间对降噪效果影响的同时，分析了局部投影邻域半径ε对降噪效果的影响。利用信号的噪声强度估计局部投影邻域半径ε，对信号进行降噪处理，不仅使算法结构简单，而且保证了算法的收敛性。通过对含噪Lorenz模型和实际舰船信号进行降噪处理，得到了较为满意的结果。     

水声测距数学模型研究

讨论了在测得声传播时间后由它得到声传播距离的数学模型。首先分析了工程上常用的平均声速测距模型的精度及适用性;其次讨论了多项式模型及其测距精度,指出了该模型的局限;最后提出了迭代逼近模型,分析了它的性能。仿真结果表明,它是优于其它２种模型的良好测距数学模型。     

击水声特性研究

在水池中进行了一系列枪弹实验,对高速物体击水声信号的波形特征、声源强度随入水角θ的变化规律、频率特性、空间指向性等进行了初步的分析。由于溅落声是一种流体动力噪声。尝试用相似理论,通过量纲分析方法,建立了用以估算击水声幅度P_0和第一次气泡声出现时刻T_1的无因次量关系式,对小角度入射时出现的波形展宽和水平方向性也进行了讨论。     

水下声传感器阵列虚拟扩展技术研究

针对水下小孔径作战平台信号处理问题,给出了声呐阵列虚拟扩展技术的性能评估方法.建立了水下声传感器阵列虚拟扩展后的数学模型,推导了阵列实阵元总数、虚拟的新阵元数和虚拟一个阵元使用的实阵元数之间的数学关系式.给出了虚拟扩展后的阵列信噪比增益数学表达式,并分析了其与实阵元总数、虚拟的新阵元数和信号入射角度之间的关系.通过对虚拟扩展后阵列波束图的分析,论证了阵列波束宽度的变化及多目标分辨能力的改变.最终通过对扩展后阵列信噪比增益及多目标分辨能力的理论分析和计算机仿真,论证了虚拟扩展技术对阵处理增益、波束宽度等阵列主要性能指标的影响,并对该技术在实际工程应用中的适用条件进行了分析.     

水声通信网络仿真技术

水声通信网拥有非常广阔的民用和军事应用前景,由于水声信道的复杂性,建立水声通信网需要相当的人力和物力.利用网络仿真技术,可以对水声通信网性能进行预测,但是目前并没有专门针对水声环境的网络仿真软件.本文设计并开发了一种基于水声传播模型的水声通信网络仿真软件,配备专门的水声通信物理层,达到比特级仿真.软件内部集成了基于水声射线模型的信道模块,可以对水声环境进行预报和仿真.该软件具有以下优点:使用灵活,可以采用单机仿真或者多机分布式仿真,提供仿真环境和参数的可视化设置窗口;伸缩性好,可以根据用户需要加入特定模块,完成水下移动目标探测等功能.     

用于水声通信系统的迭代接收算法

提出一种基于频域最小均方误差(MMSE)均衡器、信道估计器和卷积码译码器,运用Turbo迭代原理构建用于单载波水声点对点通信的迭代接收算法.该迭代接收算法,引入频域均衡处理来降低多通道均衡处理复杂性,利用译码器提供的软信息来改善均衡器和信道估计器自身的性能,从而使用较少的接收阵元实现高速、可靠的数据传输.基于实测的声速抛面曲线(SSP)和有限元声线跟踪(Bellhop)方法模拟的水声信道脉冲响应用于算法性能的验证.仿真结果表明,使用上述体制的水声通信系统,利用译码器提供的增益来提高系统性能的同时,接收阵元的数量进一步减少,满足构建水下通信网节点的要求.     

An underwater acoustic data compression method based on compressed sensing

The use of underwater acoustic data has rapidly expanded with the application of multichannel, large-aperture underwater detection arrays. This study presents an underwater acoustic data compression method that is based on compressed sensing. Underwater acoustic signals are transformed into the sparse domain for data storage at a receiving terminal, and the improved orthogonal matching pursuit(IOMP) algorithm is used to reconstruct the original underwater acoustic signals at a data processing terminal. When an increase in sidelobe level occasionally causes a direction of arrival estimation error, the proposed compression method can achieve a 10 times stronger compression for narrowband signals and a 5 times stronger compression for wideband signals than the orthogonal matching pursuit(OMP) algorithm. The IOMP algorithm also reduces the computing time by about 20% more than the original OMP algorithm. The simulation and experimental results are discussed.