声源定位方法与装置的设计和研究

综合考虑声音信号的时延和多普勒效应,设计出一种七元非对称麦克风阵列声源定位装置。将该装置应用于对静止声源、不同运动状态的声源的定位,探究了装置对不同声频、三维空间不同位置以及不同运动状态的声源的定位效果。对于静止声源,装置的定位精度约为±2cm,定位范围约为0～70cm。对于运动声源,装置可以得到不同时刻声源的位置和速度,进行拟合后得到的运动参数误差约为3%。以声源定位测量重力加速度为例讨论了声源定位在实验上的扩展。本工作有助于帮助学生理解声学的相关知识,具有很大的实际应用与实验教学价值。     

混响场中用相关传声器识别声源直达声的近似工程法

本文研究了在混响场中用相关传声器识别主声源直达声的近似工程法，包括理论及实验技术。采用该方法对一个置于混响声污染下的恒定声源进行了直达声测量，并将测量结果与该恒定声源的消声室测量结果进行了比较，结果表明：相关传声器近似工程法在很大程度上能减少混响声对主要源声压测量的干扰，从而能在混响声场中获取一定精度的主声源声压级。     

非自由声场中目标声场还原与重建的等效源方法

为消除在非自由声场中重建声场时干扰声源对重建效果的影响,提出一种采用单个测量面上的声压和质点振速作为输入、等效源法作为分离和重建算法的非自由声场中目标声场还原与重建方法。该方法首先利用单面声压-质点振速测量和基于等效源法的声场分离技术将测量的混合声场分离为来自目标声源的向外传播的声场和来自干扰声源的向内传播的声场,然后利用向内传播的声场和目标声源的边界条件计算出干扰声在目标声源表面产生的散射声场,并将其从向外传播的声场中去除,还原出目标声源在自由声场条件下的辐射声场,最后利用还原的声场实现目标声场重建。通过数值仿真和实验检验了该方法的有效性和必要性。仿真和实验的结果表明,该方法可以在非自由声场的测量条件下,有效地去除干扰声的影响,实现目标声场的准确重建。      

基于蒙特卡罗法的实时空间三维声源定位

构建了一个基于四个声音传感器的信号时延采集系统,根据采集系统得到的三个时间差和传感器的响应顺序,提出了一种基于蒙特卡罗法实时空间的三维声源定位算法.该算法通过三维声音定位的非线性方程,构建一个三维模函数,通过寻找空间全局收敛点,并根据公差容限进行变步长搜索,准确快速地计算出声源的位置.     

浅海波导环境失配下的协方差矩阵拟合稳健匹配场声源功率估计

实际浅海波导中环境噪声为相干噪声,最小方差匹配场声源功率估计方法能在相干噪声背景下准确估计声源辐射功率,但该方法受环境不确定性影响较大;此外,由于最小方差匹配场声源功率估计方法使用信号幅度作为中间量估计声源功率,信号幅度估计误差会二次放大并传递到声源功率估计结果中。本文提出一种协方差矩阵拟合稳健最小方差匹配场声源功率估计方法,该方法引入信道传递函数不确定集,结合协方差矩阵拟合思想将声源功率估计问题建模为在信道传递函数不确定集约束下对函数取极值的问题,使用Lagrange乘子法求解该问题得到信道传递函数估计值和声源辐射功率估计值。环境失配影响声源辐射功率估计性能的根本原因在于信道传递函数偏差较大,协方差矩阵拟合稳健匹配场声源功率估计方法有效减小了环境失配时信道传递函数的偏差,从而显著提升环境失配稳健性。此外,该方法使用权值直接估计声源功率,无需使用信号幅度作为中间量,避免了估计误差的传递。仿真验证了协方差矩阵拟合稳健匹配场声源功率估计方法的环境失配稳健性。     

基于声全息方法和双目视觉实现运动声源声场可视化

运动声源声场的可视化是一种重要的运动声源定位的技术手段,利用双目视觉测量技术实现运动声源声场空间的自动测量,自动确定运动声源表面的空间位置,针对声源表面,利用传声器阵列,基于声全息方法实现运动声源声场的重建,建立视频图像与声场的空间映射,并建立视频与声场之间的时序,实现实景视频图像与声场重建结果的融合,可以自动生成声源运动过程的视频。基于该方法所开发了一套试验测量系统,对运动声源的测量试验结果表明,该方法可以有效实现运动声源的视频可视化,使人可以直接从视频中看到声源及其变化过程,使声源的定位和识别变得更加简单。      

运动声源快速定位的声达时差法

针对声达时差法只能用于非运动声源定位的问题,本文提出一种运动声源快速定位方法。该方法以声达时差为基本定位原理,基于声源计算位置对多普勒效应进行解耦并进行声信号多普勒效应修正,根据三角定位方法构建声传播空间矩阵,以声源位置偏差度为目标基于单纯形优化搜索算法进行声源位置快速逼近,实现了对匀速直线运动的单声源的定位追踪,提高定位实时性。该方法将声达时差法拓展到运动声源的定位,同时解决了消除多普勒效应带来的计算过程复杂、运算量大的问题,仅用4个传声器就可实现运动声源的快速定位,突破了传统运动声源识别中对大传声器阵列的依赖。仿真实验和实车运动声源识别实验结果证明了该方法的有效性,本研究为短时发声运动声源的识别提供了一种简便、高效的方法。      

基于波束形成缩放声强的声源局部声功率计算

基于波束形成法识别噪声源时,为计算主要噪声源的辐射声功率,给出了基于平面波模型的声强缩放方法,模拟计算了单极子点声源局部声功率的计算误差,结果显示:当阵列平面与声源计算平面间距离等于阵列直径时,基于波束形成缩放声强计算的声功率误差仅略高于0.1 dB。为克服旁瓣干扰,给出了具有一定动态范围的声源计算平面积分法,模拟计算了单极子点声源的局部声功率,结果表明:该积分法的计算值与主瓣区域积分法的计算值近似相等,均约等于理论声功率。进一步,波束形成法与声强法的对比算例试验验证了基于波束形成缩放声强计算声源局部声功率方法的有效性。      

旋转运动声源的频率波动修正波束形成方法

针对前飞状态的旋翼气动噪声信号频率存在周期性波动,且频域波束形成方法只能应用于稳态声源的问题,提出一种频率波动声源的波束形成方法。该方法利用已知的声源频率变化规律进行频率修正,在时域将频率波动信号等效为单频信号,基于该单频信号进行波束形成声源定位,实现了旋转运动的频率波动声源准确定位。数值仿真结果表明,提出的方法能够在频率波动幅值为127 Hz的情况下准确呈现出声源分布情况。在旋翼模型的风洞试验中,利用提出的频域波束形成方法其声成像结果中声源最大能量位置均在旋转轨迹上,而未进行频率修正的波束形成方法结果无法准确呈现出声源的位置。该方法扩展了频域波束形成方法中的单频声源假设,实现了旋转运动声源在频率波动状态下的波束形成,适用于前飞状态下旋翼气动噪声源的声源定位。      

运动声源识别的动态波叠加方法研究

为更好地识别运动声源并解决声源识别中的虚假声源问题,基于运动声源短时信号的Doppler频移特性, 建立运动声场的短时波叠加关系, 利用波束形成方法对声源点进行预估, 基于预估建立起多运动声源的动态叠加方程, 进一步通过波叠加方程的求解进行声源的计算, 从而创建一种可以用于运动声源识别的动态波叠加方法. 该方法可以有效识别运动声源, 将波叠加方法扩展到了运动声源测量领域, 并在不增加传声器数量以及改变阵列形式的条件下有效抑制运动声源重建中的旁瓣效应, 解决运动声源识别中的虚假声源问题. 仿真及实际运动声源的测量试验结果证明了该方法的有效性.     

A suppressor for indoor shooting sites

Shootings at test shooting sites indoors can cause a risk of hearing loss for the workers at the site. The noise can also disturb other persons working in nearby rooms in the same building. A simple suppressor was constructed from a ventilation sound absorber. Sound level meters were installed near the shooter, to his side and in front of him, and in two nearby rooms. The suppressor solution attenuated the peak noise level to the side by 14–18 dB. Near the ear of the shooter, the amplification was 1–4 dB due to reflections. Therefore, a suppressor should have an adjustment mat between the muzzle of the weapon and the suppressor that would isolate sound from the muzzle backwards. In front of the shooter, the peak levels were attenuated by 0–3 dB due to the suppressor system. The suppressor system attenuated noise best to the side. The opening between the muzzle and the suppressor system caused the attenuation at the back of the weapon to be modest. In front, the bullet flight noise remained, and as a result there was no significant noise reduction in this direction. More noise control work is still needed, and one possibility for improvement would be a better enclosure of the imminent shooting area.     

The Limits of Primary Radiation Forces in Bulk Acoustic Standing Waves for Concentrating Nanoparticles

Acoustic waves are increasingly used to concentrate, separate, and pattern nanoparticles in liquids, but the extent to which nanoparticles of different size and composition can be focused is not well‐defined. This article describes a simple analytical model for predicting the distribution of nanoparticles around the node of a 1D bulk acoustic standing wave over time as a function of pressure amplitude, acoustic contrast factor (i.e., nanoparticle and fluid composition), and size of the nanoparticles. Predictions from this model are systematically compared to results from experiments on gold nanoparticles of different sizes to determine the model's accuracy in estimating both the rate and the degree of nanoparticle focusing across a range of pressure amplitudes. The model is further used to predict the minimum particle size that can be focused for different nanoparticle and fluid compositions, and those predictions are tested with gold, silica, and polystyrene nanoparticles in water. A procedure combining UV‐light and photoacid is used to induce the aggregation of nanoparticles to illustrate the effect of nanoparticle aggregation on the observed degree of acoustic focusing. Overall, these findings clarify the extent to which acoustic resonating devices can be used to manipulate, pattern, and enrich nanoparticles suspended in liquids.     

Shooter localization and bullet trajectory, caliber, and speed estimation based on detected firing sounds

Shooter localization and estimation of bullet trajectory, caliber and speed have become essential tasks for example in peacekeeping and police assignments. A novel approach for such estimation and localization is presented in this paper, as a numerical estimation method is applied to the problem. Both simulated and recorded gunshot data are considered, as a known bullet shock wave model and detected firing sounds are utilized in creating a likelihood function corresponding to different bullet states. For this, a state-space model of the underlying dynamic system is developed, and a well-known optimization algorithm is used to find the global maximum of the evaluated function. Two different criteria are used to measure the likelihood values, namely the Generalized Cross Correlation (GCC) and the Mean-Squared Error (MSE). The achieved localization and estimation results are accurate and applicable when considering the usability of the method against hostile snipers. The shooter position and bullet state estimation errors vary between 2% and 10%, depending on the estimated parameter at stake.     

Acoustic scattering from a submerged cylindrical shell coated with locally resonant acoustic metamaterials

Using the multilayered cylinder model, we study acoustic scattering from a submerged cylindrical shell coated with locally resonant acoustic metamaterials, which exhibit locally negative effective mass densities. A spring model is introduced to replace the traditional transfer matrix, which may be singular in the negative mass region. The backscattering form function and the scattering cross section are calculated to discuss the acoustic properties of the coated submerged cylindrical shell.     

基于声学超材料的低频可调吸收器

在当今社会,噪声污染已经成为人类健康的一大威胁,如何有效地控制和消除噪声污染一直是科研领域的一个重要话题.本文以开口环嵌套结构为模型,设计并制备了一种声学超材料.通过理论分析、数值模拟和实验测试,发现由于模型内部空腔的强烈耦合共振效应,该超材料可以在低频区域实现接近完美的吸声效应.此外,通过简单地绕轴旋转其内腔开口方向,即可改变该超材料的相对阻抗值,进而在较宽的频带范围内实现对吸收峰位置的可调控制.由于该超材料具有深亚波长的尺寸,因此非常有利于低频吸声器件的小型化和集成化,同时该模型也为宽带吸收器的设计奠定了基础.     

水下目标弹性声散射信号分离

水下目标弹性声散射与其他声散射成分在时域和频域上均存在混叠, 现有信号处理方法受分辨力限制无法在混叠状态下识别目标弹性声散射特征. 针对这个问题, 提出了一种目标弹性声散射信号分离方法. 以目标回波亮点模型为基础, 分析了线性调频信号入射时目标声散射成分的信号特性, 提出了一种目标声散射成分向单频信号的映射方法, 并理论推导出了目标声散射结构与映射结果之间的线性对应关系, 实现了通过窄带滤波分离出目标弹性声散射成分. 仿真与消声水池实验数据处理结果表明, 该方法基本可以完全分离出目标回波信号中的弹性声散射成分, 分离出的弹性声散射具有与理论一致的信号特征, 验证了该分离方法的有效性.     

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...     

多原子分子气体中声波弛豫衰减谱的重建算法

提出了一种宽频率范围的弛豫衰减谱重建算法,并采用基于SSH理论的方法和基于实验数据的方法估计气体的有效弛豫时间.通过该算法得到了包括氮气、甲烷、氧气、二氧化碳和水蒸气在内的多种多原子分子混合气体的声衰减谱,研究的声波频率范围从1Hz到10GHz.与预测弛豫衰减的DL模型的结果比较表明,该算法获得的弛豫衰减谱结果与之相符,其预测精度取决于对分子弛豫过程的正确认识.另外该算法还被用于几种混合气体中水蒸气和二氧化碳含量的分析,其结果表明弛豫衰减谱可被用于定量分析多原子分子气体的成分组成,这使得实现高灵敏度地检测气体成分的智能声气体传感技术成为可能. 关键词： 声弛豫衰减 有效弛豫时间 重建算法 声气体传感器     

Extraction efficiency and thermal lensing in Tm: YAG lasers

We model and compare with experiment the threshold, extraction efficiency and temperature effects in Tm:YAG lasers. In particular, we are concerned with high pump powers where lasing can cease abruptly. We simulate the pump depletion equation with the forward and reverse lasing equations combined with the CW rate equations which include cross-relaxation. The resonator is single-pass, end-pumped Fabry-Perot. Consequently, the equations must be solved numerically with a shooter. Our simulation of these equations gives the z-dependence of the intensities, of the populations and of the heat source. Heating is created by nonradiative decay from the two upper manifolds and by the cross-relaxation energy deficit. This leads to thermal lensing as a function of incident pump power which causes lasing shut-off as the resonator becomes unstable. Our simulations for the slope efficiency, threshold and laser shut-off agree with experiment. Additionally, we show that for pump powers in the range of 15–20 W the core temperature rise is about 40 K and the thermal focal length is in the range 5–6 cm.     

吸声材料对水下小平台上矢量传感器声学特性的影响研究

本文围绕粘贴黏弹性吸声材料方法对水下小平台上安装矢量传感器的指向性和测向的影响展开理论分析和实验研究.首先建立了吸声材料和平台结构组成的复合层结构的数学模型,对声波经过复合层结构的声学特性进行了分析,在此基础上利用有限元耦合边界元法对粘贴吸声材料前后的水下小平台上的矢量传感器的声学特性进行研究.通过理论计算和数值分析研究了吸声材料对矢量传感器的各通道的指向性的影响,并计算了覆盖吸声材料前后矢量传感器的测向精度.水池实验验证了分析结果的正确性.