热疗用环形平面换能器声场特性的研究

引入负声源，导出了环形平面换能器声场的简洁表示式，计算了单个圆环、多个同心圆环同时激励及环阵相控聚焦声源产生的声场，分析了环的宽度、环数及聚焦点位置等因素对声场特征的影响。提出根据各阵元在声场中某点产生的声压的相位来确定各阵元电激励信号的延时，此方法较根据各阵元到该点的平均声程确定各阵元电激励信号的延时，能更难确地在该点实现聚焦。     

复杂曲面构件的超声虚拟声源阵列成像*

利用虚拟声源和合成孔径聚焦相结合的复合成像技术解决复杂曲面构件超声检测图像中的缺陷位置失真问题。首先,在水浸检测条件下利用128阵元线性阵列换能器中采集曲面构件内部缺陷的B扫描数据。通过相邻阵元界面回波时间差构建虚拟声源,并将其定义为声波在水-构件双层界面上的入射点。然后,根据实际阵元-虚拟声源-聚焦目标三者之间的声传播路径,通过合成孔径聚焦技术将各路阵元的接收信号反推至虚拟声源处进行图像的延时叠加重建,最终获得复杂曲面构件中缺陷的超声图像。结果表明,与传统B扫图像和合成孔径聚焦图像相比,虚拟源-合成孔径聚焦图像能够准确呈现复杂曲面构件的表面轮廓,精确表征构件内部的缺陷位置。     

套管井中相控线阵声源激发声场的实验室物理模拟研究

为了探讨任意胶结状况下的套管井中均能直接并清晰的测量到地层信息的可行性,开展了套管井缩小模型的声波测井实验室物理模拟研究。实验测量了套管井不同胶结状况下相控线阵声源做发射器时的全波波形。通过对相控线阵声源不同偏转角时测量的全波波形分析表明,在Ⅰ、Ⅱ界面均胶结良好时随着相控线阵阵元间激励延迟时间的增加,当相控线阵声源的声束偏转角先后等于地层第一临界角和第二临界角时可使井孔中接收的地层滑行纵波和滑行横波幅度分别加强到最大;在套管井Ⅰ界面胶结差以及自由套管中,仍有效的探测到了地层的滑行纵波和横波信息。此实验结果验证了在任意胶结状况下的套管井中均能直接测量到地层信息的可行性,为开发新一代的套管井相控线阵声波测井仪奠定了实验基础。      

时域开槽天线阵列的接收特性

 利用自建的时域测量系统对接收阵元数不同、相邻阵元间距不同、阵元数相同接收方向不同的开槽天线阵列接收电场进行了测试。时域天线的时域波形、归一化能量方向图、归一化峰值方向图的分析结果表明：时域天线方向性具有时变性，与观察方向和时间段有关，接收波形峰值随主接收方向偏离主轴程度的增大而减小；阵列某一面的方向图仅与该面的阵元数及相邻阵元间距有关，与其它面的阵列无关；阵列单元越多，相邻单元间距越大，方向图波束越窄。     

套管井中相控线阵声源激发的声场研究

利用相控线阵声源的动态声束偏转技术可大大增强套管井孔中有用模式波的幅度。通过实轴积分方法计算了相控线阵声源在多种胶结状况下的充液套管井中的声场,计算结果表明在Ⅰ、Ⅱ界面均胶结良好时随着相控线阵阵元间激励延迟时间的增加,地层滑行纵波和滑行横波的幅度逐渐增强,当相控线阵声源的声束偏转角先后等于地层第一临界角和第二临界角时可使滑行纵波和滑行横波幅度分别加强到最大;在Ⅰ(或Ⅱ)界面存在微环时,单个点声源激发的套管井全波波形中观测不到地层信息,当采用相控线阵声源做发射器时,通过选择相邻阵元间合适的激励延迟时间,可有效地增强地层滑行纵横波的幅度,同时还可较好的抑制套管波的能量。     

利用等离子体声源测量浅海低频段水声信道特性

浅海水声信道的结构特征及其变化特性是浅海环境水下远程探测和通讯应用的基础.为了有效测量低频水声信道特性,我们在实验中采用了拖曳等离子体声源和垂直阵接收系统。通过实验测量与信道模型仿真输出的比较,对等离子体声源特性,特别是脉冲波形、空间指向性和电声转换效率,以及在信道中的传播特性等进行测量分析。结果表明:实验测量与信道模型仿真符合良好,实验中采用的等离子体声源的发射源级和拖曳姿态稳定,波形一致性好,可以满足走航式连续水下信道测量要求。      

传声器阵列对高频弱声源的声成像识别方法

研究了传声器阵列对高频弱声源的识别定位方法。该方法根据高频声源的指向性和阵列探测特性等特点,提出了利用信噪比加权方法提高有效阵元对声成像的贡献,根据信噪比的大小对每个阵元添加不同的权值,可以显著提高传声器阵列对高频弱声源的声像清晰度。仿真分析了阵元加权和不加权两种方法对阵列声成像结果的影响,以某型号笔记本电脑电路板噪声为对象进行的实验表明,在阵列测量中充分利用有效阵元信号可以实现对声压级低达10~20dB的微弱噪声源的精确测量。      

激光致声换能器的实验与应用论证

设计制造了激光致声发射换能器,并进行了水槽实验,测量、计算了激光声信号的距离分辨力、声源级、指向性函数、指向性指数,分析了实验值与理论值误差产生的原因;计算了噪声背景和混响背景下对目标的探测距离;从理论上论证了探测沉底目标的可行性;分析了该换能器的信息传输速率、指向性和通信距离.     

传声器阵列对高频弱声源的声成像识别方法

研究了传声器阵列对高频弱声源的识别定位方法。该方法根据高频声源的指向性和阵列探测特性等特点,提出了利用信噪比加权方法提高有效阵元对声成像的贡献,根据信噪比的大小对每个阵元添加不同的权值,可以显著提高传声器阵列对高频弱声源的声像清晰度。仿真分析了阵元加权和不加权两种方法对阵列声成像结果的影响,以某型号笔记本电脑电路板噪声为对象进行的实验表明,在阵列测量中充分利用有效阵元信号可以实现对声压级低达10~20 dB的微弱噪声源的精确测量。     

一种基于时延估计的双辅助声源阵形校准方法

布放柔性水平阵列时,各阵元的相对位置很难精确知道,为了解决这一问题,提出了一种阵形校准方法。首先布设两个成一定张角的校准声源,利用它们估计各阵元信号的时延关系,利用声源和接收阵的GPS位置,确定各阵元的相对位置。得到的位置估计是无偏估计,给出了位置估计标准差的数值模拟结果,得出了两校准声源的最佳角度关系。利用2001年亚洲海国际实验的数据对该方法进行了验证,用校准后的阵形得到的测量声源方位角和实际角度一致,实测的阵增益也和理论值相符合。理论及实验分析结果表明,该方法能够准确定出各阵元的相对位置。     

相控圆弧阵声源在TI地层井孔中产生的声场

研究了相控圆弧阵声源在各向异性地层井孔中产生的声场的特征,重点分析了该声源对于地层横波各向异性的方位敏感性,旨在探索一种新的地层声学各向异性测量方法。结果显示:相控圆弧阵声源在地层中可激发多种方位阶数的声场,主要成分为单极子波场和偶极子波场;在HTI地层竖直井中,方位角不同的圆弧阵声源激发的波动的速度不同,相控圆弧阵声源对于地层横波速度的方位各向异性的敏感性主要是它所激发的弯曲波的贡献。相比于传统的正交偶极子声波测井而言,采用相控圆弧阵声源可以评价井附近地层的周向非均质性,可以提高井周测量覆盖次数,提高反演结果的可靠性。另外,相控圆弧阵声源兼具备多极子声源的功能,优化的相位控制方式可以实现方位各向异性的最佳测量。      

Delay and Doppler spreads in underwater acoustic particle velocity channels

Signal processing and communication in acoustic particle velocity channels using vector sensors are of interest in the underwater medium. Due to the presence of multiple propagation paths, a mobile receiver collects the signal with different delays and Doppler shifts. This introduces certain delay and Doppler spreads in particle velocity channels. In this paper, these channel spreads are characterized using the zero-crossing rates of channel responses in frequency and time domain. Useful expressions for delay and Doppler spreads are derived in terms of the key channel parameters mean angle of arrival and angle spread. These results are needed for design and performance prediction of systems that utilize underwater acoustic particle velocity and pressure channels.     

Experimental investigation of the power radiated by a monopole above a reflected plane

The presence of reflecting boundaries causes the acoustic power output of a point source to increase. As existing experimental data were found to be inadequate, experiments have been carried out in this study to determine the effect of a reflecting plane on the power radiated by a point source. A corona-type monopole was used in this study. Both source and receiver positions are varied; the statistical results of power radiated are compared with the theoretical predictions.     

Frequency-domain channel estimation and equalization for shallow-water acoustic communications

A new frequency-domain channel estimation and equalization (FDE) scheme, combined with a new group-wise phase correction scheme, is proposed for single-carrier (SC) underwater acoustic communications systems employing single transducer and multiple hydrophones. The proposed SC-FDE scheme employs a 2N-point Fast Fourier Transform (FFT) to estimate and equalize the channel in frequency domain, where N is the number of symbols in a data block. Both the frequency-domain channel estimation and equalization are designed by the linear minimum mean square error criterion. Initial channel estimation is performed by a pilot signal block and later updates are achieved using the detected data blocks. The proposed phase correction scheme utilizes a few pilot symbols in each data block to estimate the initial phase shift and then correct it for the block to combat the large phase rotation due to the instantaneous Doppler drifts in the acoustic channels. Time-varying instantaneous phase drifts are re-estimated and compensated adaptively by averaging the phase variation across a group of symbols. The proposed SC-FDE and phase correction method is applied to the AUVFest’07 experimental data measured off the coast of Panama City, Florida, USA, June 2007. With the Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) modulation and a symbol rate of 4 ksps, the proposed scheme achieves an average uncoded bit error rate on the order of 1×10^?4 for fixed-to-fixed channels with the source–receiver range of 5.06 km. For the moving-to-fixed source–receiver channels where the source–receiver range is 1–3 km, the multipath delay spread is 5 ms, the average Doppler shifts are ±20 Hz, and the maximum instantaneous Doppler drifts from the mean is ±4 Hz, the proposed scheme achieves an average uncoded bit error rate on the order of 1×10^?3.     

偶极随钻声波测井声压和径向位移响应的差异*

声波测井仪接收到的电信号通常是多个压电片响应的叠加,它主要是由声压还是径向位移响应转化而来,或是两种响应兼有目前未有定论。该文通过实轴积分法和复变函数法计算并对比分析随钻声波测井的声压和径向位移场,发现这两种响应特性有着显著的差异。首先,软地层的偶极随钻测井时,声压信号包含钻铤波和舒尔特波两个波群,而径向位移信号仅有钻铤波波群;其次,单极声源情况下,声压和径向位移信号的钻铤波能量分别集中在钻铤内、外壁,而偶极情况恰好相反,可见,钻铤按照单极情况的分析结果进行刻槽后,高频时的拖尾现象会影响偶极信号中舒尔特波对横波速度的反演。因此,阐明两类信号的差异对横波速度的反演和钻铤波的压制都具有重要意义。     

Beamforming correction for dipole measurement using two-dimensional microphone arrays

In this paper, a beamforming correction for identifying dipole sources by means of phased microphone array measurements is presented and implemented numerically and experimentally. Conventional beamforming techniques, which are developed for monopole sources, can lead to significant errors when applied to reconstruct dipole sources. A previous correction technique to microphone signals is extended to account for both source location and source power for two-dimensional microphone arrays. The new dipole-beamforming algorithm is developed by modifying the basic source definition used for beamforming. This technique improves the previous signal correction method and yields a beamformer applicable to sources which are suspected to be dipole in nature. Numerical simulations are performed, which validate the capability of this beamformer to recover ideal dipole sources. The beamforming correction is applied to the identification of realistic aeolian-tone dipoles and shows an improvement of array performance on estimating dipole source powers.     

单极随钻声波测井换能器感知信号类型的研究

在假定钻铤是光滑的提前下,前人理论模拟了随钻测井的声压波形,但未发表关于理论波形与实验波形的比较的文章。为了认识测量信号所对应的力学类型及相应类型的钻铤波在钻铤内的分布,本文将理论模拟的随钻声波测井波形与实验波形进行对比。与前人单独考虑压电效应或井孔传播效应不同,本文模拟单极随钻声波测井响应时,将发射器、接收器、光滑钻铤和井孔结构作为一个整体,采用有限元法计算模拟了电压源激励下接收器纪录的声压信号和位移信号。将模拟的声压波形与电压信号进行比较,发现二者的钻铤波与斯通利波相对幅值相差较大,而模拟的径向位移波形更接近电压信号。进一步比较理论波形与小模型井内实验测量到的电压信号,证实电压信号更接近位移信号而与声压信号差异明显。这表明当钻铤光滑时,单极随钻声波测井换能器感知的主要是径向位移信号。研究还表明声压信号中的钻铤波能量主要集中在钻铤内壁,径向位移信号中的钻铤波能量主要集中在钻铤外壁。     

基于扩频码的单载波迭代频域均衡水声通信

单载波时域均衡在长时延扩展水声信道中计算量大,并对接收机参数的选择较为敏感,可靠性低,而正交频分复用信号峰均功率比高、对频率偏移敏感. 针对这些问题,提出基于扩频码的单载波块传输高速率水声通信方法和基于T/4分数间隔迭代频域均衡的接收机算法. 该接收机利用已知扩频码进行信道估计以及对由多普勒偏移引起的旋转相位进行估计,并通过一种低复杂度迭代频域均衡算法改善系统性能. 开展了湖上实验研究,结果表明在浅水1.8 km距离且复杂多径干扰条件下,利用BPSK/QPSK调制可实现10^-2–10^-4的误码率并达到1500–3000 bit/s的有效数据率. 关键词： 水声通信 单载波 频域均衡 迭代处理     

随钻单极子声波测井模式优化及远探测

针对非均匀性地层地质力学评价和地质导向钻井的需要,研究了随钻单极子声波的方位特性和反射声场特征,并研制了随钻声波测量装置.建立了不同方向速度模型井和反射声场模型,数值模拟了两个模型的单极子声波传播特征,使用单极子声源发射和偏极子接收器接收的测量模式,分别获得了波速周向变化图和反射波的方位特征.模拟结果表明,纵波对地层方...     

用于裂纹方向识别的超声散射系数分析方法研究

本文主要利用超声相控阵技术进行了裂纹方向识别研究。首先,对线性超声相控阵探头采集的全矩阵数据进行了全聚焦成像,确定缺陷的位置。然后将线性阵列划分为若干子阵列,研究了缺陷位置处子阵列的散射系数分布,从中提取出缺陷的方向信息。在此基础上,研究了子阵列参数选择(子阵列包含晶片数及相邻子阵列间隔晶片数)及探头位置对裂纹方向识别的影响。通过对散射系数分布图中提取的3个特征指标,角度测量误差、角度分辨率及相对脊带宽度,进行主成分分析,评价了子阵列参数设置(如子阵列包含晶片数及相邻子阵列间隔晶片数)对裂纹方向识别的影响,优化出最佳的检测位置及子阵列参数设置。仿真和检测实验结果表明,当相邻子阵列间隔晶片数为1,包含晶片数为11个时,可以利用超声散射系数分布进行裂纹方向的准确测量,测量误差小于2%。