时间反转和逆时偏移混合法中参数改变对目标检测和定位的影响*

时间反转和逆时偏移混合法能有效地抑制分层介质中界面或底面反射波的干扰,从而实现分层介质中目标的检测和定位。该文计算得到阵列阵元的疏密,目标在空间中不同位置,以及不同载波频率相应的声场图和声场等高线图,从而详细研究不同参数对目标检测和定位的影响。研究结果表明,接收阵元需要达到一定数目才能获得较好的聚焦效果;目标无论距阵列远近都可以被很好地定位,特别是离界面很近的目标也可以清晰地分辨出来;用调制载波信号可以得到在目标处更尖锐的声场分布,但周围的各处声场分布高低起伏,可能带来定位的不稳定。     

井孔中多极源在分层介质的声场模拟方法*

水平分层地层是常见的地质模型,为了获得地下水平分层介质中声波测井的响应并了解声波在其中的传播规律,需要对该模型进行声场数值模拟,通常采用基于时域有限差分的数值模拟方法。然而对于地下数百米井段的声场模拟,如何最大化地减小数值模拟的计算区域,提高计算速度和节省内存,是必须考虑的策略问题。本文中,我们提出了动态计算区域的仿真策略,给出了计算区域选取的优化方案,并通过算例验证策略的有效性。假设发射器分布在阵列接收器下方,模拟结果表明,当声源距离下方最近的分层边界超过2米时,位于仪器下方的所有分层介质可以在计算中忽略不计。对于位于阵列接收器上方的分层边界,在选取计算区域时,也同样采用类似的策略。利用这样的策略,我们连续快速模拟了多层介质中单极子和偶极子声波测井响应,其中纵波和横波速度提取结果与输入的连续分层介质参数吻合。应用这种策略,可开发出数百米甚至数千米的井孔声场连续快速仿真的数值模拟软件。     

浅海声场的角度分布

分层介质中简谐点源的声场具有确定的角度分布。应用射线理论虽然也可计算给定接收点声场的角度分布,但是它不能反映重要的信号参数——频率对声场角度分布的影响,此外射线理论还无法计算影区中的声场。本文应用简正波理论讨论分层介质中声场的角度分布,获得了声场角度分布的一般表达式,以及定向接收时的声场衰减规律。所得结果可以应用到射线声学影区,并且反映了声场随频率的变化。当研究水声信道和信号在其中的检测效果时,利用本文的结果可以选择最佳的接收方向。对于选取的介质模型进行了数值计算,分析和讨论了所得结果。     

一种基于双引导声源和warping变换的拷贝声场计算方法

提出了在均匀浅海环境中只知道少量环境参数的情况下,利用不同距离上的两枚引导声源和warping变换的拷贝声场计算方法。这种方法主要基于简正波估计技术,从声场衰减信息和相位信息两个方向来重构拷贝声场,从而与目标声场匹配进行定位。其优点在于能避免传统的匹配场定位技术中拷贝场计算时对环境模型和环境参数的依赖。在简正波估计技术中采用warping变换的处理方式,数值仿真主要采用线性Bartlett匹配处理器分析了目标定位效果,在信噪比高于10~15 dB的情况下,定位效果良好。     

多层介质中超声相控阵声场仿真*

由于良好的声束偏转与聚焦特性,超声相控阵已经广泛应用于多层固体介质的缺陷检测。当超声束经过多层介质时,由于反射、透射以及模式转换的存在,多种声束存在于这种结构中,使得声场分析变得复杂。为了提高多层介质检测的准确性,有必要对超声声场的分布规律进行深入地了解。该文结合高斯声束等效点源模型以及射线追踪法,给出了相控阵声源在多层固体介质中激发声场的仿真方法,并且模拟计算了一维线型相控阵在楔块-铝-黄铜-钢四层固体介质中的辐射声场。通过对不同延时法则的计算,实现了声波在这种复杂介质中的偏转与聚焦,进而研究了不同焦点处聚焦声场的分布。结果表明:相控阵方法能使聚焦点处的声场幅值增大,能量集中,提高了检测分辨率;不同聚焦点处声场聚焦效果不同,实际检测时应根据检测区域结构及位置特点,合理放置相控阵换能器。与瑞利积分法的比较表明,该文的仿真方法适用于多层介质相控阵声场的计算。     

利用宽带引导声源重构拷贝声场的目标声源定位

为了避开传统的匹配场目标定位技术对环境先验知识的依赖性,提出了在均匀浅海环境中只知道少量环境参数的情况下,利用垂直接收阵和不同距离上的两枚宽带引导声源重构声场对目标声源进行定位的一种方法。这种方法主要基于简正波估计和声场重构两种关键技术,同时省去了匹配场定位技术中大量的拷贝声场计算。数值仿真主要采用线性Bartlett匹配处理器分析了目标定位效果,在信噪比高于10 d B的情况下,定位效果良好。     

各向异性焊缝中超声相控阵瞬态声场仿真及缺陷定位方法

针对多层各向异性奥氏体不锈钢焊缝中超声相控阵瞬态声场的仿真问题,提出应用高斯声束等效点源模型计算宽带离散化的多个单频稳态声场,通过傅里叶变换将其拓展为瞬态声场,并分析了声场转换过程的主要影响参数。该方法可快速计算焊缝内部超声相控阵聚焦声场的瞬态能量分布和任意一点的时域波形信号。在此基础上针对多层奥氏体不锈钢焊缝内部缺陷的超声相控阵成像检测问题,提出利用上述时域高斯声束法对多通道缺陷散射信号进行时间反转计算,并根据时域声场焦点确定缺陷位置。最后通过实验,验证使用此方法检测实际奥氏体不锈钢焊缝试块内部缺陷的效果。结果表明,提出的方法能够确定缺陷位置,且计算速度快、运算量小,适合作为多层介质内部缺陷实时成像的声场仿真模型。      

混响环境下目标声场稀疏分解多域声场重放方法*

对于封闭空间内的声场重放,传统的多点声压匹配方法（Cov-PM）直接依据在目标声场测得的声压直接使用最小二乘来计算扬声器权重。然而这种方法要求较多的目标声场采样点以实现足够的精度。对于一类特殊的声场景,也就是目标声场是由少量声源辐射产生时,提出一种对目标声场稀疏分解的方法来进行混响环境下多域声场重构以降低对目标声场采样数量的要求。本文给出基于目标声场等效源稀疏分解多域重构方法（Sparse-ESM）理论推导,通过数值计算以及实验测试两种方式对比所提方法与最小二乘等效源分解方法以及Cov-PM的声场重放性能。数值结果表明,在600Hz 以上的频段,Sparse-ESM 方法的重构误差性能提升明显。实验结果也得出了与数值计算相同的结论。同时,还通过数值计算和实验测试两种方法证明了当目标声场声源方向波动时,Sparse-ESM 仍然可以保持与其余两类方法相近的声对比度同时实现较高的亮区重构精度。     

空气中声源的水下匹配场定位

通过水下布放的垂直线列阵采集空中声源在水下激发的测量声场,采用声场波数积分模型(OASES模型)对空中声源激发的水下声场建模,计算出拷贝声场,将二者进行匹配处理从而对空中声源目标定位。首先通过数值仿真验证了匹配场处理技术对空中声源的测距能力,并通过引入宽带匹配场处理器平滑掉距离上的周期性旁瓣。最后分析南海某海域的空气声试验数据,采用常规匹配场方法对700 m以内的32组空中声源目标进行定位,测距结果与GPS计算的收发间实际距离相比,大多数情况下是一致的,在较远距离由于信噪比降低,测量结果容易出现偏差。     

超声多波聚焦及声偏振方向控制方法*

在超声多波聚焦思想的基础上,通过数值模拟计算,分析了时间反转法的多波聚焦特性以及对声场偏振方向进行控制的可行性。结果表明,在待测目标的不同位置处,时间反转法都能够实现多波聚焦的效果,使具有不同传播速度、不同偏振特性的多种声波自适应聚焦。但是,在介质的近表面处,由于受到表面波的影响,多波聚焦声场仍然具有椭圆偏振特性,无法实现声场偏振方向精确控制的目的;而位于介质内部的多波聚焦点受到表面波影响很小,数值计算结果表明此时多波聚焦声场具有线偏振特性,通过改变声源前后两个脉冲的激发幅度和相位,可以控制声场的偏振方向,达到偏振方向扫描的目的。该文的研究为精确检测裂纹方向或界面性质提供一种可能的途径。     

Acoustic field analysis of detection and location of targets in layered media by time reversal-reverse time migration mixed method

Using the time reversal(TR)-reverse time migration(RTM) mixed method, the numerical analysis towards the acoustic field for detection and location of targets in layered media is performed. First the approaches and steps of the numerical analysis and simulation for acoustic field are proposed, then, the acoustic field distribution of single target and multiple targets are further computed by using the approaches of single emission-multiple receiving and multiple emission-multiple receiving. The numerical simulation results indicate that target detection and location can be well realized. By comparison, good results are obtained from the both two approaches, but large time-consuming is observed in way of multiple emission-multiple receiving, and so would be unacceptable. Additionally, the improved way is also proposed for multiple target detection.     

Experimental investigation of the detection and location of a target in layered media by using the TR-RTM mixed method

Targets in layered media can be detected and located using a time reversal(TR)-reversed-time migration(RTM) mixed method.In this study, this single emission-multiple receiving method is tested experimentally by using two types of layered media and three types of targets. The signal reflected at the interface and the signal scattered by the target are measured by each receiver to obtain the travel time for several transmitter-receiver pairs. Thereafter, the amplitude ratio between the two measured signals is compared with the theoretical amplitude. The RTM process involves the convolution of the forward acoustic beam from the source with the backward acoustic beam from the receiver which adds an appropriate delay determined on the measured travel time data. By using this approach, the acoustic field distribution can be obtained, and the position of the target can be determined.Moreover, the measured positions of the target are compared with the actual position to validate the accuracy of this technique.     

基于时间反转法的相控换能器声场的仿真研究

相控换能器具有焦距可调的优势。本文以82阵元相控换能器建立的3D数值仿真模型为例,基于时间反转法提取阵元的激励信号,利用时域有限差分(FDTD)法对Westervelt声波非线性传播方程进行声场数值仿真,研究不同阵元分布、偏离声轴的距离、设定焦距大小对形成声场的影响,可调控范围及其消除旁瓣方法。研究结果表明,随机分布相控阵可明显降低声场中的旁瓣;随着偏离声轴距离的增加,主瓣声压幅值逐渐减小,旁瓣与主瓣的最大声强比值r逐渐增大,且沿声轴的可调控范围逐渐减小;随声轴方向上设定焦距的增加,主瓣声压幅值先增大后减小,r值先减小后增大;基于时间反转法的高声压旁瓣消除法可在一定程度上扩大相控阵声场的可调控范围。     

Detection and Location of a Target in Layered Media by Snapshot Time Reversal and Reverse Time Migration Mixed Method

A target in layered medium can be located by the ridge-like distribution time reversal and reverse time migration(TR-RTM) mixed method. However, this method cannot distinguish between acoustic field distributions of the interface and target for the wider acoustic pulse signals, which may result in inaccurate location of the target. A snapshot TR-RTM mixed method is proposed to solve this problem. The principle of snapshot TR-RTM mixed method is first given. Experiments are then carried out, and a mountain-like acoustic field distribution is obtained by processing experimental data. The results show that the location of the peak is that of the target, and the ratio of the scattered signal and interface reflection signal(signal-to-interference ratio) is improved by about four times after processing. Furthermore, this method can effectively suppress the interface reflection signal and enhance the target scattering signal. Therefore, it can achieve effective detection and location of a target in a layered medium.     

Acoustic emission localization in beams based on time reversed dispersion

The common approach for the localization of acoustic emission sources in beams requires at least two measurements at different positions on the structure. The acoustic emission event is then located by evaluating the difference of the arrival times of the elastic waves. Here a new method is introduced, which allows the detection and localization of multiple acoustic emission sources with only a single, one point, unidirectional measurement. The method makes use of the time reversal principle and the dispersive behavior of the flexural wave mode. Whereas time-of-arrival (TOA) methods struggle with the distortion of elastic waves due to phase dispersion, the method presented uses the dispersive behavior of guided waves to locate the origin of the acoustic emission event. Therefore, the localization algorithm depends solely on the measured wave form and not on arrival time estimation. The method combines an acoustic emission experiment with a numerical simulation, in which the measured and time reversed displacement history is set as the boundary condition.     

双声源位置和强度识别的三维声强方法

目前在远场识别声源空间位置和强度缺乏行之有效的方法。针对此问题,提出采用四传声器进行三维声强测量,从而构建出声强、声源坐标和声功率的非车线性方程组,求解方程得出声源空间坐标和强度的方法。以3个三维声强探头对两个同频率单极子声源的识别为例,分别利用数值仿真和半消声室内的实验进行方法验证,并对声源的识别空间分辨率做了测试,得出角度识别最大误差为3.83°,为真实值的8.5%,距离识别最大误差0.1 m,为真实距离的10%。结果表明采用该方法空间坐标和声功率识别均具有很高的准确度,双声源的空间位置分辨力也优于远场声全息方法。      

基于模式分离的兰姆波逆时偏移成像

应用频率域逆时偏移方法实现各向同性和各向异性板中缺陷的兰姆波成像.由于缺陷引起的多模态散射信号会在重建图像中形成伪像,根据基本导波模式振动对称性的差别进行了模式分离预处理.基于多元阵列超声技术,开展了铝板和复合板内缺陷频率域逆时偏移超声成像方法的数值仿真研究.首先,建立有限元模型,采用环形传感器数值采集由缺陷引起的兰姆波散射信号,然后,将采集到的多模式散射信号进行模式分离处理,再将模式分离后的兰姆波散射信号经时间反转后并在相应的接收器处重新激励,在频域中运用格林函数反向传播兰姆波散射信号,获取监测区域的声场信息,与正向传播声场进行互相关,重建缺陷图像.首先对铝板中单缺陷以及复合材料板中相邻的两个相同缺陷进行数值仿真,对比有无模式分离处理的缺陷逆时偏移成像效果,体现出模式分离的重要性.在此基础上,采用逆时偏移方法对复合板材内位置邻近、深度不同的双缺陷进行识别.数值结果表明,模式分离预处理后的缺陷重建图像能够有效去除多模式干扰产生的伪像.文中提出的成像方法对各向同性板和各向异性板内缺陷的检测和成像具有很好的发展潜力,可以准确地探测多个缺陷的形状、尺寸和深度.     

大气风场和温度对无线电声波探测系统探测高度影响的数值研究

从声波扰动介质中的电波波动方程出发, 使用时域有限差分(FDTD)方法, 结合声波传播的FDTD 模型, 构建了描述声波和电波相互作用的数值模型, 并运用该模型分析风场和温度对无线电声波探测系统的探测高度的影响. 数值模拟结果表明: 温度与风场剖面的存在改变声波和电波散射回波的传播轨迹; 温度梯度剖面主要影响声波的传播速度, 风场剖面导致作为电波散射体的声波波阵面的偏移, 降低电波散射回波的强度并改变回波路径, 使得接收数据减少, 限制无线电声波探测系统的探测高度; 在强风背景下, 若降低声波散射体高度, 电波散射回波“聚束点”的偏移会有较大的改善, 但同时意味着探测高度的降低. 为了改善风场背景下无线电声波探测系统的探测高度, 可以使用双基地雷达或者增大接收天线面积等方法来实现.     

An equivalent method of jet impact loading from collapsing near-wall acoustic bubbles: A preliminary study

Cavitation damage is a micro, high-speed, multi-phase complex phenomenon caused by the near-wall bubble group collapse. The current numerical simulation method of cavitation mainly focuses on the collapse impact of a single cavitation bubble. The large-scale simulation of the cavitation bubble group collapse is difficult to perform and has not been studied, to the best of our knowledge. In this study, the equivalent model of impact loading of acoustic bubble collapse micro-jets is proposed to study the cavitation erosion damage of materials. Based on the theory of the micro-jet and the water hammer effect of the liquid–solid impact, an equivalent model of impact loading of a single acoustic bubble collapse micro-jet is established under the principle of deformation equivalence. Since the acoustic bubbles can be considered uniformly distributed in a small enough area, an equivalent model of impact loading of multiple acoustic bubble collapse micro-jets in a micro-segment can be derived based on the equivalent results of impact loading of a single acoustic bubble collapse micro-jet. In fact, the equivalent methods of cavitation damage loading for single and multiple near-wall acoustic bubble collapse micro-jets are formed. The verification results show the law of cavitation deformation of concrete using equivalent loading is consistent with that of a micro-jet simulation, and the average relative errors and the mean square errors are insignificant. The equivalent method of impact loading proposed in this paper has high accuracy and can greatly improve the calculation efficiency, which provides technical support for numerical simulation of concrete cavitation.     

基于分组时延预处理的时域波束形成方法*

对于不等强度多目标情况下的弱目标检测问题，依据波束形成归一化指向性函数在目标方向上输出值为1、在非目标方向上输出值为小于1的特性，提出一种基于分组时延预处理的时域波束形成方法。该方法首先对线列阵接收数据进行分组处理；然后，按搜索角度对各组数据进行时延预处理，并对各组预处理结果进行相加，得到一组新数据；最后，对该组新数据按时域波束形成进行处理，得到该搜索角度对应波束值。理论推导、数值仿真和试验数据处理结果均表明：相比常规时域波束形成，该方法所得波束形成指向性函数发生了变化，旁瓣级得到了13dB以上的改善，降低了强目标旁瓣级对弱目标检测的影响。