波浪滑翔器声学应用分析

波浪滑翔器作为一种跨界面无人自主航行器具有独特的优势,既可以作为水下与水面通信的中继节点,又可以搭载观测设备在大洋上长期自主航行,实现长时序、大范围观测.利用波浪滑翔器搭载声学负载组成声学探测节点,由多个节点按一定的轨迹运行组成特殊接收阵型可以提高水下目标检测概率.文章利用波浪滑翔器搭载自容式水听器在青岛近海开展了海上...     

浅析水空跨介质航行器仿生设计研究中的CAD技术应用

水空两栖跨介质无人航行器是近年来研究的热点,该航行器预期实现水下潜伏,跨水空介质状态转换和空中飞行这3种航行状态,存在着变密度、结构转换、动力转换等技术问题亟待解决.自然界中存在着可以自由穿梭于水空环境中的生物,将具有这种飞行本领的生物作为仿生对象,并进行系统研究,对突破跨介质无人航行器的关键技术研究有着重大意义.在介绍“鲣鸟”水空两栖跨介质无人航行器这一产品在工业设计流程中的仿生设计研究的基础上,对仿生设计的研究方法进行创新,阐述CAD技术在仿生设计中的应用方法及重要作用.     

水下航行器声隐蔽性的表征与技术进展

声隐蔽性是水下航行器的一项关键性能,现有多种表征方法。本文在探讨了现有的主要表征方法基础上推荐了一种通用表征方法,对收集到的俄、美两国具有代表性的水下航行器噪声级进行了分析。作者还简要介绍了近年来水下航行器总体声学设计技术方面的进展。     

水下超高速航行体纵向运动的控制方法研究

水下超高速航行体的全部或大部分表面被空泡包裹,使其阻力显著降低而达到高速航行的目的.与常规水下航行体相比,水下超高速航行体的受力方式、力矩平衡以及弹道控制方法都有显著的差别.该文对超高速航行体的空化器受力、尾部滑行力等进行了系统的分析,建立了水下超高速航行体纵向运动的动力学模型及摔制模型.然后以空化器偏转角、航行体攻角及推力矢量偏转角为控制变量,采用线性二次型调节器方法设计前馈反馈控制器,完成了水下超高速航行体控制方法的仿真分析.仿真结果表明:该控制系统能够有效地跟踪控制信号,具有良好的控制品质.为进一步研究水下超高速航行体的控制问题提供了一定的理论参考.     

联合波束形成和球面谐波逼近法的复合声全息技术研究

水下航行器的噪声水平将直接影响到其安全,为了有效抑制水下航行器的声学亮点,首先需要找到其声学亮点并了解其辐射噪声的水平。由于水下航行器在航行过程中其姿态不能精确控制,不能在其近场布置传声器,不满足近场声全息的应用条件,为此提出一种联合波束形成和球面谐波逼近法的复合声全息技术,首先利用传声器阵列获取声场的声压信息,采用波束形成法定位声源,然后利用球面谐波逼近法重构声场从而可实现声学亮点定位。采用两个脉动球模型进行仿真计算,并和理论声场进行比较。结果表明,此复合声全息技术能较为准确的对辐射体进行声场重构,由于采用波束形成法进行前处理,使得声场重构中需要的传声器数量减少,可提高实际工程应用效率。     

水下航行器声隐身性能快速评估研究

针对传统水下航行器声隐身性能评估方法计算时间长、实时性不强的缺点,将评估由数值计算问题变为基于多传感器信息融合的模式识别问题来解决。通过将RBF神经网络模型和LVQ神经网络模型相结合,提出了基于组合神经网络的水下航行器声隐身性能快速评估模型。利用加速度传感器测得壳体表面振动信息,抽取分析频段内每个频带的功率作为特征向量,通过组合神经网络模型进行识别分类,快速评估出航行器当前的声隐身状态。并利用水下双层加肋圆柱壳体模拟航行器舱段缩比模型,进行了水下声学试验,验证了方法的实时性和有效性。该评估方法计算速度快、评估正确率较高、通用性较强,可很好地应用于各类水下结构的声学状态评估。     

有限平面障板对低频指向性的影响

为提高对水下目标的远程探测能力,降低水下航行体系统工作频率不失为一种较易实现的好方法。矢量传感器在各向同性噪声场中可以获得较大的低频检测增益,且其低频指向性好、体积小、重量轻,但是将矢量传感器安装在水下航行体头部的导流罩内时,传感器的后障板对其指向性有影响,从而影响水下航行体对目标定向的能力。该文从声学原理出发,对平面波在有限平面障板边界上的声压场和振速场进行了理论分析,在此基础上建立了矢量传感器在有限平面障板下的指向性模型,并通过计算机仿真分析,研究了有限障板对低频指向性的影响。设计了实验室试验系统,并进行了试验验证。试验结果表明,仿真分析与水池试验结果一致,证明了该模型的正确性,为减小有限障板对矢量传感器性能的影响奠定了基础。     

超空泡水下航行器直航弹道三通道控制与动态特性仿真

水下航行器在超空泡状态直航时,其运动模式和常规全沾湿水下航行器完全不同,为保证该模式下直航弹道的稳定性,提出对超空泡航行器的纵平面、水平面和横滚三通道进行特殊控制。从超空泡航行器流体动力产生的机理出发,分析了其力学特性,建立了航行器三通道空间运动模型;采用空化器首舵和航行器尾舵对超空泡航行器直航弹道进行控制,利用极限操舵的控制模式降低了三通道之间的耦合。针对超空泡航行器直航三通道进行了动态特性仿真,仿真结果表明弹道航向稳定、深度偏差小、横滚振荡幅度可控     

一种新型声隔离系统

水声换能器的收／发声隔离度决定了很多水声设备的性能优劣。介绍了一种新型声学隔离系统,该系统改变了声障板的设计思路,使换能器的收／发声串漏得到明显降低。通过偶极子原理,提出了一种提高收／发声学隔离度的方案。利用有限元仿真手段,计算并验证了该种方案的有效性。参照仿真模型,制作了一套声隔离系统样机,在1个倍频程的频带内,该系统的收／发声隔离度大于40dB。该声隔离系统提高了现有水下声目标模拟设备的性能。     

基于微机电系统与径向基函数的水下航行器姿态检测

为实现水下航行器自主运动控制,准确掌握水下航行器的运动姿态至关重要。微机电系统惯性传感器因具有体积小、成本低和功耗低等特点,被广泛应用于姿态检测系统当中。由于海底的工作环境复杂,故水下航行器在实验过程中设定有一定的非合作性;因此设计采用径向基函数神经网络算法对采集数据进行训练与分类。实验结果表明,微机电系统惯性传感器结合径向基函数神经网络算法对水下航行器的基本行为识别的平均召回率可达94%。     

北极高速水声通信实验初步研究

因海冰覆盖和独特的声速剖面特征,北极水声信道有其特殊性,为研究、开发和利用北极,需要开展北极水声通信研究。2017年夏季在北冰洋中心区开展了一次距离1.26 km、通信速率为1.2 kbps的冰下水声通信实验。实验结果表明通信系统的载波频率偏高、声接收端背景噪声级较高以及水声信道上界面的海冰分布较为复杂是导致实验结果误码率偏高的主要原因,提出了相应的改进措施和建议。实验过程中,水声通信设备系统工作良好无故障。此次实验为极地水声通信装备的研制、极地水声通信的研究与应用积累了宝贵经验。     

敷设某种吸声材料的声诱饵简化模型隔离度仿真计算

随着水声电子对抗技术的不断发展,对于声诱饵系统边收边发技术的需求日益增强。实现边收边发技术的难点之一在于如何增大声诱饵系统发射端与接收端的隔离度。由于高分子吸声材料对声能的吸收作用,可以考虑采用在声诱饵接收端敷设吸声材料的方式,对声诱饵系统的隔离度进行改善。利用有限元计算软件对简化的声诱饵模型的隔离度进行数值仿真计算,分析声诱饵模型接收端敷设不同厚度的吸声材料时,对声诱饵系统隔离度的影响。计算结果表明,在声诱饵接收端敷设吸声材料时,可以增大声诱饵系统发射端与接收端的隔离度;当吸声材料达到一定厚度以后,对声诱饵系统隔离度的影响几乎不变。     

船载水声定位系统自动校准技术研究

在分析常规水声定位系统校准方法的基础上,结合某型船载水声定位系统的工程研制,提出了一种自动校准方法。该方法无需常规的动态或静态校准,可在每次系统安装完成后自动检测及校准。利用基阵中心位置的发射换能器以及船只固定连接杆入水端的发射换能器依次发射校准声信号,将获得的水声定位坐标与上述两个发射换能器固定对应的全球定位系统(Global Positioning System, GPS)天线坐标进行平移和偏转,获得偏移参数矩阵,实现系统校准。某水域的跑船试验验证结果表明,利用该自动校准方法可在两分钟内完成全部自检及校准工作,并且水声定位轨迹与跑船GPS轨迹重合较好,具有校准效率高、测量精度高等优点。     

应答器发射与控制电路的设计与实现

应答器通常在水下测量、定位与导航等领域发挥着不可或缺的作用,针对某项目对水下测量用应答器在长效性、实时控制等方面的需求,设计了应答器的发射与控制电路。发射电路采用集成音频功率放大器TAS5412作为主体电路,并结合换能器的阻抗特性以及调谐匹配方法,实现宽带高效匹配;通过单片机以及I2C总线对发射机的工作状态进行控制。该应答器既可根据遥控指令与参数,选择预存信号波形进行应答,也可以实时计算应答的信号波形,使用灵活方便,应答声源级可控。湖上和海上试验的结果表明,该应答器发射与控制电路工作稳定可靠,满足长效使用的工程应用需求。     

水声宽带换能器匹配技术研究

低频宽带大功率换能器是现代水声发展的一项关键技术。换能器与功放匹配是宽带大功率水声发射的关键技术之一,本文对一种宽带大功率匹配匹配网络进行了设计分析,通过该匹配网络可改善宽带匹配效果,同时拓宽工作频带。文中还给出了一台功放驱动两只宽带换能器的匹配网络。     

基于座底式水声网络节点的跟踪测试技术研究

为了满足水下航行体的大范围水下定位跟踪测试要求,针对基于座底式水声网络节点的跟踪测试技术进行深入研究。设计了一种紧凑型水声网络节点,该节点采用卧式安装结构,可通过水声或光电信号进行回收控制,具有结构轻便、布放效率高、回收可靠等特点。利用该水声网络节点,串行布放在某水域组成座底式长基线跟踪测试系统,该系统具备定位跟踪、航行参数遥测等功能。针对其定位跟踪及航行参数遥测功能进行湖上跑船试验,试验结果证明,该系统定位跟踪精度高,航行参数遥测功能可靠,遥测误码率低,总体覆盖范围大,可广泛应用于水下航行体的定位跟踪、导航测试等,具有较高的工程实用价值。     

无线电遥控水声监测浮标

在传统的长基水声定位技术基础上,设计了一套集水声定位监测、无线电通信和水声遥控功能于一体的无线电遥控水声监测浮标系统,利用合作信标方式和询问应答方式对水下目标的三维运动轨迹进行测量,无线电通信和水声遥控功能相结合能实现对海底潜标的远程控制。系统设计中采用了一系列消除干扰、降低功耗的措施,提高了定位精度,延长了系统的工作时间。经水声拉距试验,到达7.8km处时,应答信号的时延值仍稳定;水声遥控指令在5.5km处时稳定可靠。在无线电拉距试验过程中,相距12km处通信质量良好。解算出的定位轨迹与目标船上的GPS轨迹基本一致,定位精度在5m左右。上述海上试验结果证明了系统的可行性和可靠性。     

水声换能器基阵互辐射阻抗研究

在水声应用领域中,通常是若干个换能器组成一个基阵进行工作。当换能器基阵工作时,基阵中单个换能器的总辐射阻抗是它自身辐射场的作用以及基阵中其它换能器辐射场作用的总和,这就引入了互辐射阻抗的问题。在水声对抗中,当换能器基阵在大功率状态下工作时,基阵的互辐射阻抗影响尤其需要进行研究分析。结合理论推导得出的规律,介绍了一种研究互辐射阻抗的测量分析方法,分析了一种换能器基阵的互辐射阻抗影响,并最终得到一般性结论。     

压电水声换能器宽带匹配特性研究

采用等效电路变换和多物理场有限元仿真计算进行压电水声换能器宽带匹配特性研究,得出不同匹配电路下的换能器电声性能的变化规律,合理选择电感电容值和串并联方式进行调谐匹配实现双峰谐振,一方面提高换能器的工作带宽,另一方面提高工作频率范围内的发送电压响应值并减小工作频带内响应值的起伏,依照仿真数据设计制作了一款球形换能器,采用串联电感进行调谐匹配,并测试调谐匹配前后的水中电声性能,对比匹配前后换能器性能的差异。结果表明,测试结果和仿真计算吻合,运用多物理场仿真计算手段对于预测分析水声换能器电声性能具有较好的指导意义。