光纤光栅水听器技术实验研究

采用光纤布喇格光栅作为基本传感器件, 设计制作了光纤光栅水听器. 利用匹配光纤光栅解调技术, 实现了高灵敏度、高速度的动态信号测量, 并进行了相关的水下声音测量实验. 实验系统可测量水声信号频率范围为10 Hz~3 kHz, 测量动态范围为60 dB, 其结果具有很高的线性度.     

北极水下声信号跨冰层变化分析

北极海冰阻碍了海水和空气两个空间的信息传输。为获得冰层对水下声信号跨冰层传输的影响,采用三维检波器在北冰洋中心区开展了水下声信号的跨冰层实验。利用水冰界面反射模型和自由冰层Lamb波模型,对水下声信号小角度(小于10°)入射冰层时测量数据进行分析,结果表明:(1)20 Hz~1 kHz声信号入射到光滑冰层时,某些频率声波的反射率会明显降低,其中93%的反射率低点超过-10 dB,有的甚至会达到-20 dB以上。(2)冰层反射率低点对应的频段声波,能被冰层上方检波器接收到,并显示出较强的合振速谱,且与该站位自由冰层模型中同时产生的A2和S2模态Lamb波在频段上相符。这些结果可为跨冰层水声信号拾取和水声传播研究提供参考。      

基于水下等离子体的脉冲通信发射机

水下声通信是海洋中最主要的通信方式,在时变空变随机多途的恶劣信道中实现可靠的超远程水声通信,是一项亟待解决的难题。论文提出了一种利用水下等离子体脉冲信号、采用脉冲定宽时序编码调制方案的超远程水声通信体制,研制了一种基于水下等离子体的微型脉冲声源,搭建了基于该声源的脉冲通信发射机,实现了入水自动检测、休眠定时切换、发射频率可调、码元调制编码等脉冲通信功能。经水池试验验证,该发射机在Φ60×600mm体积内声源级达217dB,较好地实现预设脉冲信号的发射。     

圈养瓶鼻海豚对20 kHz连续声信号的行为响应研究

将20 kHz连续声信号作为刺激信号,测试了厦门某海湾圈养的两只瓶鼻海豚对该信号的行为变化。通过对比信号发射期与间歇期海豚相对声源的水面距离、露出水面的次数以及水下发出的click定位声信号的数目等变化,判断发射信号对海豚行为的影响。给出了瓶鼻海豚对测试信号产生躲避行为的声压级门限(154±2 dB re 1μPa,rms),并与鼠海豚的躲避声压门限级进行了对比。结果表明:信号发射期,瓶鼻海豚移离了声源位置,增加了露出水面的次数,水下发出click声信号的次数明显减少。因此,瓶鼻海豚对20kHz连续信号产生了行为改变。      

强噪声对家兔内脏损伤的实验研究

本文叙述了声压级为168dB的宽频带噪声对家兔内脏器官损伤的特征。实验表明,家兔内脏的损伤部位与动物所处的体位有关。自由体位和俯卧位动物,主要损伤部位是向外环境开放的肺,其次是空腔脏器胃和肠管。仰卧位动物除肺脏受损外,心脏的损伤非常严重,靠近腹壁的肠管,胃体部及肝脏也受损明显。这些关系表明,高声强噪声对内脏的致伤主要是由于声波的机械效应。     

烟火药和压缩氮气声源水下声辐射特征对比研究

为研究烟火药水下燃烧声辐射机理,采用烟火药和压缩氮气喷射声源对比的方法,利用水声测试系统,通过实验研究不同体积流量下两种声源装置的声辐射规律。结果表明,烟火药水下燃烧声源与压缩氮气声源的声辐射特征相似,辐射频率主要集中在0～1000 Hz内,峰值频率均位于100 Hz附近,总声压级、峰值声压级均随着气体流量增加而增强。当气体流量从60 ml/s增加到84 ml/s时,烟火药峰值声压级由155 d B增加到163 d B,0～1000 Hz内总声压级由159 d B增加到165 d B;当喷气流量从70 ml/s增加到141 ml/s时,压缩氮气源峰值声压级由136 d B增加到139 d B,0～1000 Hz内总声压级由144 d B增加到147 d B。当气体流量相近时,烟火药相比压缩氮气声压级相差显著,其声压级均高于同频率下压缩氮气源,两者的峰值声压级分别为157 d B、139 d B,0～1000 Hz内总声压级分别为160 d B、147 d B。     

水声JANUS信号的分数低阶时频谱迁移学习识别方法

非合作第三方水下标准协议信号识别在水声通信信号识别中具有重要研究意义。针对浅海水声JANUS信号的特征提取因易受脉冲噪声和多径效应等复杂水声环境影响而导致识别率低下的问题,提出一种分数低阶时频谱和ResNet18 （Residual Network 18）相结合的迁移学习识别方法。首先,选取JANUS固定前导作为识别对象,设计分数低阶傅里叶同步压缩变换（FLOFSST）,以分数低阶操作抑制脉冲噪声,以时频重排特性增强时频集中性。其次,将基于ImageNet的ResNet18预训练模型微调,迁移至JANUS信号和常见水声信号时频图集。仿真表明所提算法在信噪比为-10 dB时JANUS信号的识别率为96.15%,能够有效抑制脉冲噪声并减小多径效应影响,比传统算法识别性能好。海试中JANUS信号识别率达90.00%,证明算法识别准确率和网络的泛化性较高。      

双曲线调频在高速水下目标航行参数遥测中的应用研究

对于高速、强机动的水下目标来说,其航行参数信息的实时遥测具有重要意义。水声信号的多普勒频移估计与补偿是水声遥测的关键技术之一,它直接影响着水声遥测的效果与性能。本文针对双曲线调频信号及线性调频信号进行仿真分析,对比在相同情况下的多普勒频移可补偿性,仿真实验证明双曲线调频信号具备较高的多普勒容限,其时延值估计精度可达到1μs。结合工程实际,本文采用双曲调频信号与单频信号组合的方式进行水声遥测,充分发挥双曲线调频信号的多普勒不变性和单频信号对多普勒频移的敏感性,在获得较高定位精度的同时,也具备高精度的水声遥测功能。该组合信标信号经过湖上试验验证,具有遥测精度高、误码率低、易于实现等优点,可应用于相关水声工程中。     

水下水平阵对空中运动声源的线谱探测

由于空气、海水介质声阻抗差异巨大,空中声源辐射的噪声透射入水的能量损失很大,加之水中声源目标的干扰,从水下探测空中声源相对困难。海试数据分析表明,空中高速运动声源噪声透射入水后信号较弱,在频繁存在干扰的水下声场环境中,常规宽带波束形成方法难以生效.针对空中声源普遍存在线谱的特点,首先利用线谱识别、提取与跟踪以及线谱加密技术对水下水平阵接收信号进行线谱分析,再通过剔除强干扰目标的线谱,成功分离出包含空中声源的线谱信号,实现对空中运动声源的探测,最远距离达16.8 km。通过理论和实验数据分析,验证了探测结果的正确性.      

水下目标多模态深度学习分类识别研究

水下目标的分类识别对于水声探测具有重要意义。提出一种水下目标多模态深度学习分类识别方法。针对水声信号的一维时域模态和二维频域模态特征建立一种多模态特征融合的深度学习结构,结合长短时记忆网络和卷积神经网络的优点,对一维时域信号和二维频谱信号分别进行并行处理,对输出进行典型相关分析,形成特征融合表示,并利用相邻帧的相关性进行参数优化。利用实测水声信号对算法进行了验证。结果表明：提出的算法对于水下目标识别的精度有显著的提高。     

基于激光水下爆炸声源的声探测技术

基于激光水下爆炸的声探测技术,设计了激光声水下目标探测器。对激光水下爆炸声源的产生机理进行研究,并开展水下探测器发射声信号检测的实验。实验结果表明:强脉冲激光聚焦于水介质产生爆炸性球面声源,探测器内部的声反射面将球面声信号转变为高指向性的平面波信号。通过对探测器的发射信号和接收的目标回波信号进行数值计算,得到探测器发射信号具有波束指向性窄、距离分辨力高和探测距离远等特点,满足水下目标探测的应用需求。     

水下等离子体声源的冲击波负压特性

基于修正的Rayleigh气泡脉动方程对水下等离子体声源放电产生的 强声冲击波的传播过程进行了分析; 利用Euler方程作为控制方程组, 建立了水下等离子体声源的聚束声场模型, 通过仿真计算获得的传播云图对冲击波负压的形成机理进行了直观的理论分析. 结果表明: 经过聚能反射罩反射汇聚得到的聚束波在反射稀疏波和水的惯性作用下, 聚束波周围水域产生了拉伸, 形成负压区, 如果拉伸力大于水的抗拉上限, 就会使得水中形成不连续现象, 即出现空化气泡; 此外聚能罩边缘处产生的衍射波进一步加剧了负压的产生, 边缘衍射波最终与拉伸波叠加, 使冲击波负压达到最大值; 通过对比仿真波形和实验波形, 从而验证和进一步揭示了冲击波负压的形成原因. 研究结果对认识水下冲击波的传播规律和进一步改进等离子体声源的设计具有指导意义. 关键词： 等离子体声源 冲击波负压 聚束声场模型 气泡     

Underwater ambient noise in shallow-water areas of the Indian Ocean within the tropical zone

Frequency spectra of underwater ambient noise were measured in the lagoon of a coral atoll, outside the reef, and on shallow-water banks in the tropical zone of the Indian Ocean. The measurements were performed in the frequency range from 0.003 to 9 kHz with the use of self-contained acoustic buoys and a small boat. In all of the regions studied, continuous underwater noise of biological origin was observed with spectral maxima at frequencies of 1–1.5 and 7–8 kHz. In the lagoon of an atoll, this noise was much more intense than regular dynamic noise in the ocean. The maximum noise levels were observed in the first half of night.     

外液腔式Janus-Helmholtz水声换能器

为获得具有大功率无指向性发射特性的水声换能器,提出了一种外液腔式Janus-Helmholtz结构。通过设置隔声层改变换能器的声辐射模式,从而改善声辐射效率和无指向性方向的声辐射能力,并利用外液腔振动和Janus换能器纵向振动耦合实现宽带发射。基于有限元法设计了一只工作频段为1.1~3.5 kHz的外液腔式Janus-Helmholtz换能器试验样机。样机测试结果显示与设计结果符合得较好,与内液腔式相比,外液腔式Janus-Helmholtz水声换能器在0°方向的声辐射能力得到了显著改善。      

鼓泡床中超声驻波的模拟及其对气泡的调制机理

采用计算流体动力学（CFD）的方法，数值生成了鼓泡床中一对声换能器以16kHz高频振动引发的超声场。数值计算是基于包括粘性影响的可压缩流体基本守恒方程，并耦合了水的状态方程。模拟结果表明，在本研究所用的几何布置和换能器与时间相关的速度入口边界条件下，反应器中形成了一个稳定的驻波声场；由于波的非线性以及水的粘性，压力波节点呈现出轻微的时间漂移性。模拟结果与前人的实验结果定性吻合。在模拟的声压分布的基础上，分析了驻波声场调制气泡的机理。如比较熟知，气泡在驻波声场作用下或者向压力波节点运动或者向压力波腹点运动，取决于气泡尺寸与共振尺寸的关系。     

Sensitivity of a tucuxi (Sotalia fluviatilis guianensis) to airborne sound

Auditory systems of cetaceans are considered highly specialized for underwater sound processing, whereas the extent of their hearing capacity in air is still a point of issue. In this study, the sensitivity to airborne sound in a male tucuxi (Sotalia fluviatilis guianensis) was tested by means of a go/no go response paradigm. Auditory thresholds were obtained from 2 to 31.5 kHz. Compared to the hearing thresholds of other dolphins as well as of amphibian mammals, the sensitivity to airborne sound of the test subject is low from 2 to 8 kHz, with the highest threshold at 4 kHz. Thresholds at 16 and 31.5 kHz reveal a sharp increase in hearing sensitivity. Thus, although not obtained in this study, the upper aerial hearing limit is in the ultrasonic range. A comparison of the present data with the underwater audiogram of the same test subject referred to sound intensity indicates that the sensitivity of Sotalia to underwater sound is generally better than to airborne sound.     

压力罐中水声材料声学特性的参量源测量法

设计了一种原波频率500 kHz、差频范围1~30 kHz的截断宽带参量阵,作为水声材料测量系统的声源。通过分析典型频率下的宽带参量源指向性理论计算和实际测量结果,发现两者结果的曲线基本吻合,证明计算模型是正确的。应用钟形短时脉冲实现水声材料声特性的宽带测量,有益于降低样品边缘衍射干扰。并建立了测量水声材料大面积板状样品声压反射系数、声压透射系数和吸声系数的压力罐测量系统,罐体内尺寸Φ4 m×12 m,最高静水压4.5 MPa,测量频率范围1~30 kHz。对标准样品(尺寸1m×1m)进行了测量实验,其测量结果和理论曲线有很好的吻合,参量源测量法得到了验证;之后,通过对一块橡胶板样品在不同静压力下的吸声性能进行了测量和有效评估,进一步确认了参量源测量法在压力罐这样有限水域中的潜在应用价值。      

Determination of acoustic attenuation in the Hudson River Estuary by means of ship noise observations

Analysis of sound propagation in a complex urban estuary has application to underwater threat detection systems, underwater communication, and acoustic tomography. One of the most important acoustic parameters, sound attenuation, was analyzed in the Hudson River near Manhattan using measurements of acoustic noise generated by passing ships and recorded by a fixed hydrophone. Analysis of the ship noise level for varying distances allowed estimation of the sound attenuation in the frequency band of 10-80 kHz. The effective attenuation coefficient representing the attenuation loss above cylindrical spreading loss had only slight frequency dependence and can be estimated by the frequency independent value of 0.058 dBm.     

Behavioral responses of two captive bottlenose dolphins (Tursiops truncatus) to a continuous 50 kHz tone

At present, the fundamental frequencies of signals of most commercially available acoustic alarms to deter small cetaceans are below 20 kHz, but it is not well ascertained whether higher frequencies have a deterrent effect on bottlenose dolphins (Tursiops truncatus). Two captive bottlenose dolphins housed in a floating pen were subjected to a continuous pure tone at 50 kHz with a source level of 160 ± 2 dB (re 1 μPa, rms). The behavioral responses of dolphins were judged by comparing surfacing distance relative to the sound source, number of surfacings, and number of echolocation clicks produced, during forty 15 min baseline periods with forty 15 min test periods (four sessions per day, 40 sessions in total). On all 10 study days, surfacing distance and the number of surfacings increased while click production decreased during broadcasts of test sound. The avoidance threshold sound pressure level for a continuous 50 kHz tone for the bottlenose dolphins, in the context of this study, was estimated to be 144 ± 2 dB (re 1 μPa, rms). The results indicated that a continuous 50 kHz tonal signal can deter bottlenose dolphins from an area.     

海底表层沉积物声速的环境因素影响特性

应用声速通用模型开展理论分析,结合温度-压力可控实验测量分析,研究地声反演、海底原位声学测量和采样样品声学测量3种主要的海底表层沉积物声学特性测量方法中,存在的环境因素影响机制和特性。理论计算与实验测量研究具有一致性,揭示温度和静水压力对海底表层沉积物的压缩波声速的影响机制主要是通过影响孔隙海水的密度、黏度、体积弹性模量体现的。在海底4000 m以内的表层海底沉积物通常存在的海底温度和静水压力范围内,发现声速比不为常数,随着温度升高和静水压力增大而呈现出细微减小趋势,理论计算海底沉积物与底层海水声速比波动度在2%以内,实验测量声速比波动度在2.73%以内。基于声速比不为常数,提出修正声速比校正模型,为减小温度和静水压力影响因素误差,更准确地实现不同原位、实验室环境状态下的海底沉积物声速的分析和比较提供了改进方法。