基于并行传输网络模型的声学参数测量仪器

报道一种新开发的基于电-声/声-电转换传输网络模型的声学测量仪器。该系统的物理模型由一系列并联等效电路组成,可用来更为准确地描述实际声学测量过程。当声波换能器被包含有多个频率分量的信号子波激励时,并联网络中的每一个等效电路将具有自己独特的辐射阻和辐射质量,且每个频率分量将独立地作用于对应等效电路的电学端/力学端。力学端/电学端的累积输出就是声换能器输出的声/电信号子波。该系统在理论上考虑了换能器的电-声/声-电转换、驱动电压信号子波和传播介质特性对测量的声信号的影响,其物理实现采用高分辨率、高采样率数据采集和虚拟仪器技术,使该系统可以保证声信号的精确测量和处理。作为声学测量中的一个应用实例,用薄球壳压电换能器的瞬态响应模型对系统的功能进行了测试。实验测量结果与理论计算基本相符,且具有较高的测量精度。     

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。     

单矢量水听器水声材料声反射系数自由场大样测量方法

为了实现水声材料法向声反射系数的自由场宽带测量,将单矢量水听器作为测量系统的核心设备,结合脉冲声发射技术与后置逆滤波信号处理技术,提出了基于单矢量水听器的水声材料法向声反射系数自由场宽带测量方法,通过矢量水听器电子旋转技术实现直达声与反射声的有效分离。讨论了测量系统误差以及接收信号的信噪比等因素对测量结果的影响,该方法对信噪比有一定要求,但对测量系统误差不敏感。实验测试结果表明:与未经后置逆滤波处理的实验测试结果相比,文中所述方法显著提高了测量性能,但受发射换能器低频发射能力限制,实验结果在2.5 kHz以上与理论值吻合较好。     

具有机械阻抗匹配器的纵向振动宽带换能器计算机辅助设计

文章论述了在压电陶瓷材料与前质量块之间以及压电陶瓷材料与后质量块之间分别放置了前机械阻抗匹配器和后机械阻抗匹配器的纵向振动换能器的特性.具有不同机械阻抗匹配器,为换能器提供了双调谐的特性.然而,通过对前、后匹配器的适当的设计能对换能器响应的调谐频率作出予报.本文计算了这种换能器的电导纳和发射电压响应表达式,为了获得所要求的宽带特性,应用计算机模拟和计算机设计来确定匹配器的适当参数值.上述换能器的数值计算结果表明,其发射电压响应的3dB带宽超过一个倍频程.并与实验结果相吻合.理论的电导纳与实验结果也大体上相一致.     

OFDM-MIMO相控阵雷达带宽合成方法研究

OFDM-MIMO相控阵雷达采用的发射信号具有频率分集特性,通过带宽合成方法可将发射的窄带信号获得的回波合成为大的带宽信号,能显著提高雷达的距离分辨力.基于所建立的OFDM-MIMO相控阵雷达回波模型,分别讨论了时域和频域带宽合成处理方法,推导出了其所需要的相位补偿因子的理论表达式,并通过仿真实验对提出方法的有效性进行了验证.     

带匹配层的复合材料多圆管同轴堆叠换能器

为了拓展换能器带宽和实现换能器水平方向上全向发射,本文研制了一种圆柱状高频宽带水声换能器,同时开发了压电敏感元件曲面成环新工艺。该换能器采用压电复合材料作为有源材料,三环轴向叠堆产生模态耦合和添加匹配层的方式拓展换能器的带宽。利用ANSYS有限元仿真确定了不同敏感元件圆环的尺寸。通过切割-浇注-曲面成环等工艺制备出内半径不同、外半径相同的压电复合材料圆环,并将不同壁厚的圆环通过轴向叠堆制作成换能器。测试结果表明：该换能器-3 dB频带范围为330～430 kHz,带宽达100 kHz,最大发送电压响应为163.4 dB,水平指向性开角为360°。     

基于子阵的宽带发射干扰置零方法

为了抑制宽带干扰信号，在发射方向图上形成干扰凹口，提出了一种宽带宽角发射波束形成新方法．该方法首先发射窄带信号，应用超分辨方法估计出目标和干扰的方向并求出窄带权矢量；把窄带权矢量和宽带相位补偿权相结合形成宽带最优权，当发射为宽带线性调频脉冲信号时，能保证发射宽带信号距离高分辨，同时在方向图干扰方向形成较宽零点．     

偏心式圆筒悬臂梁发射换能器研究

为了得到宽带发射换能器,提出了一种偏心式圆筒悬臂梁换能器的结构形式,重点介绍了此类换能器的基本设计思想,即围绕低频和宽带两方面入手,将弯曲振动模态频率低的特点和多模态振动耦合拓宽频带的方法结合起来,应用于同一种换能器的结构设计中.利用有限元软件对换能器进行了辅助设计分析,并计算了悬臂梁和换能器的振动模态、工作频率、阻抗和发射特性等性能参数.换能器样机的测量结果是换能器的工作频带(-6 dB)为4～16 kHz,发射电压响应起伏在-5 dB以内,工作频带覆盖了2个倍频程.换能器样机的实测结果验证了设计思想的正确性和可实现性.     

压电单晶弯张换能器研究

为了进一步了解弛豫铁电单晶材料的特性,研究了单晶换能器的性能,利用有限元软件ANSYS对PMNT驱动的Ⅳ型弯张换能器进行了分析.设计并制作了一个PMNT弯张换能器,测量得到其谐振频率为1.7 kHz,最大发送电压响应为132 dB;制作了相同尺寸的PZT-4弯张换能器,并与PMNT弯张换能器进行了比较.与PZT-4弯张换能器相比,PMNT弯张换能器的谐振频率低17%,谐振时的电导值大5倍,获得的发送电压响应高5 dB.     

压电单晶双激励宽带纵向换能器

为了提高纵向换能器发射响应和工作带宽,本文以压电单晶PMNT做为有源驱动材料,采用双晶堆不同尺寸反相激励的方式,同时激发出一阶、二阶纵振模态,从而提高纵向换能器发射响应,拓宽工作频带。通过四端网络法简化换能器的等效电路并计算其发射性能,利用ANSYS软件对模型进行优化设计并制作了试验样机,最终测试数据显示在工作频带27~65 k Hz,最大发射电压响应值不低于150 d B,带内起伏小于12 d B。研究结果表明:理论计算、有限元仿真计算与实测结果基本吻合,利用双晶堆反相激励的方式可实现纵向换能器较宽频带工作。     

空腔式前盖板宽带纵向换能器研究

纵向换能器实现宽带性能有较多方法,但是拓宽频带有限。为了改善宽带性能,在传统纵向复合棒换能器的基础上,通过在前盖板处开有空腔结构来产生多种振动模态,利用多模态耦合原理实现换能器更宽频带性能。利用ANSYS有限元软件对换能器进行优化设计并制作了试验样机,测量得到在4.5-14 k Hz的频带内,换能器的最大发送电压响应值为148.9 d B,响应起伏9 d B。仿真分析与实验结果表明,与传统的纵向换能器相比,空腔式前盖板纵向换能器在拓宽频带方面效果显著,达到了一个倍频程以上。     

浅海稀疏阵声图测量实验分析

为了研究声图测量过程中由于采用稀疏阵引起的声干涉对聚焦波束形成的影响,分析了声干涉现象产生的原因,对比分析了阵列稀疏对于远场波束形成与近场聚焦波束形成影响的异同,及其对宽带信号及窄带信号影响的异同.根据对比分析认为,近场宽带信号处理的方式受阵列稀疏的影响较小,但实际舰船目标往往含有强线谱信号,因此测量过程预先通过谱白化处理是必要的.对上述宽带稀疏阵的测量方法进行了实验验证,给出了定位结果,结果表明方法切实可行.     

超声压电换能器工作频率的温度自动补偿系统研究

超声压电换能器是中小口径超声波流量计的核心部件,工作环境温度会直接影响超声压电换能器的最佳工作频率,导致流量计计量不准确。以双通道超声波流量计为平台,设计了一个超声压电换能器工作频率的温度自动补偿系统。通过实验获取不同工作环境温度下的超声压电换能器最佳工作频率,并以性能最接近的两对超声压电换能器最佳工作频率的均值作为激励发射频率;设计了一个激励脉冲信号发射系统,根据工作环境温度通过查表法获取超声压电换能器的激励发射频率,自动完成超声压电换能器工作频率的温度补偿。通过实验分析了温度补偿系统对流量计渡越时间和流量标定的影响,结果表明:该系统能够实现超声压电换能器温度自动补偿;经过温度补偿的超声波流量计引用误差控制在1.5%之内,达到二级精度仪表标准。     

无驱动微机械陀螺信号处理电路工作带宽扩展

针对无驱动结构微机械陀螺的工作带宽进行理论分析,提出一种调整频带宽度的方案。然后利用MATLAB和PSpice软件进行仿真验证,最后利用安捷伦信号发生器81150A对调整前后的电路部分进行实验验证。实验结果表明,通过调整后整个信号处理电路的带宽得到了扩展,使得陀螺在工作频率范围内的信号可以无衰减地通过。这里采用的实验方法是信号发生器的静电驱动动态扫频测试。这种方法与传统采用MEMS三轴转台测试方法相比,更加简便,准确。     

近场波束零陷权声图测量干扰抑制技术

聚焦波束形成声图测量技术是一种近场高精度声被动定位技术.为了抑制近场声图测量过程中干扰声源对待检测声源定位的影响,给出了一种基于近场聚焦波束零陷权的声源干扰抑制方法.经过理论推导分别给出了权在窄带信号情况下和宽带信号情况下的解析形式,该权具有形式简单,计算量小等优点,适合实际工程应用.对权的性能进行了仿真及实验验证,结果表明,该权可以有效地在近场干扰声源位置上形成指向性零点,从而抑制掉干扰声源对声图测量的影响,改善对待探测声源的声图测量效果.     

滚动轴承局部故障的声发射信号解析模型与频域特征

准确描述故障信号是进行滚动轴承故障特征提取与分析的基础。深入分析了滚动体通过轴承内、外圈局部故障时产生声发射信号的机理,建立了含双冲击响应的声发射信号解析模型,并探讨了声发射信号的频域特征。采用仿真信号与试验信号验证了解析模型的正确性。结果表明:滚动体通过局部故障时会产生与进、出故障相关的2个声发射事件,且2个事件的响应能量均集中在传感器共振频率附近;声发射信号功率谱由低频段的离散谱和高频段的连续谱共同组成。     

损伤声发射信号小波包神经网络特征识别方法

在材料损伤的检测和评价时,为了在大量接收信号中识别有效声发射信号,提出了一种基于小波包特征提取的损伤声信号神经网络识别方法,首先利用小波包全局分解的优势,准确提取非平稳信号的特征信息,建立相应特征向量,对有效声发射信号和干扰噪声信号进行表征;然后根据特征向量和识别输出要求,建立了3层结构的反向传播神经网络对信号进行分析和识别,滤除噪声信号,保留有效声发射信号;最后,在玻璃钢复合材料的声发射实验中,采集了400组信号对该方法进行验证,准确性达到97.5%,能够满足工程需要.     

由传播时间反演海水中的声速剖面

海水中的声速剖面对声传播有比较重要的影响.利用海上实验的实际数据由声信号的传播时间反演海水中的声速剖面.用经验正交函数表示声速剖面,根据选取的代价函数应用遗传算法搜索最优解.为了提高反演算法的性能,快速反演获得海水中的声速剖面,在射线声学理论下,对传播时间的计算方法进行了改进,有效降低了算法的计算量.利用海上实验的实际数据反演获得的声速剖面与实验时直接测量获得的声速剖面相比较,误差小于2‰.反演结果与实测结果基本相符.     

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.     

多波束声呐基阵一体化自校准方法

为了保证多波束测深系统的探测精度,在系统组装前需要对多阵元接收换能器基阵进行指向性测量和目标方位波束响应校准。针对常规方法中图像散焦问题存在的不足,本文提出了一种多波束声呐基阵一体化自校准方法,将换能器基阵和信号调理采集电路一体化测量,利用目标方位波束响应输出测量换能器基阵波束指向性。推导了阵元间距误差对测深结果产生的影响,采用聚焦波束形成技术,在小尺寸水池条件下开展校准实验研究。通过在水池中预先获得的方位波束角误差曲线,对多波束测深声呐外场实验数据进行了归位补偿,实现了多波束声呐基阵一体化自校准。实验结果表明:该方法能够保障多波束声呐的有效覆盖范围,具有较强的实用性和重要的工程应用价值与推广价值。