水下等离子体声源的聚束特性研究

分析水下等离子体声源的反射聚束特性,对研究和应用水下定向辐射技术具有重要的指导意义。对不同曲面障板的反射规律做了分析,利用Euler方程建立了水下等离子体声源的聚束声场分布模型,利用迎风型WENO格式对方程进行求解,仿真计算了两种曲面障板的聚束过程和声场分布特性,并设计相关实验对仿真结果进行了验证。研究结果表明,仿真结果与实验测量结果基本吻合,得到的声场云图较为直观地反映了声源的反射聚束特性,证明了仿真模型的有效性,为进一步研究水下定向辐射技术、提高声源级奠定了基础。     

水下强声源的多电极阵列聚束特性

分析了水下等离子体强声源的冲击波产生特性,利用激波产生时刻与触发开关导通时刻之间时间间隔的一致性,提出了基于激波叠加的多电极阵列聚束的可行方案。建立了水下等离子体强声源的多电极阵列聚束模型,通过仿真计算,得到了不同放电时序下的多电极阵列聚束声场分布特性。仿真结果表明:基于激波的多电极阵列聚束方案可有效进行相干叠加,通过控制多电极阵列的阵元放电时序可灵活改变阵列聚束区域的指向性,有效提高指定区域的聚束波声压级。研究结果对认识水下强声冲击波的叠加规律和优化水下强声源的多电极阵列设计具有指导意义。     

水下强声波脉冲负压的产生和空化气泡运动

首先利用高速摄影和压力传感器测量的方法, 对曲面反射式水下强声波脉冲的传播和聚焦过程进行了实验研究.实验研究发现, 椭球面反射罩在起到汇聚声能的作用的同时也将使得强声波脉冲在传播过程中形成负压区, 并由此而引发近场声传播通道上空化气泡群的产生. 在实验结果的基础上, 进一步利用基于Kirchhoff衍射定理的声传播模型和大振幅条件下的QX气泡运动方程, 对强声波脉冲负压区的形成原因及空化气泡的运动过程进行了数值计算和分析. 研究结果表明, 在焦前区, 源于反射罩内表面的"尾波"和出口处的"边缘波"在传播过程中将形成反射波中的负压区; 在焦后区, 源于反射罩顶点的"中心波"在传播过程中将形成反射波中的负压区. 在反射波作用下, 空化气泡体现出了"正压区受压缩并振荡, 负压区膨胀"的运动特点. 在反射波之后, 空化气泡将出现成长、坍缩和回弹等典型的物理过程. 研究结果对曲面反射式水下强声波传播物理规律的认识具有实际意义.     

非线性超声束的冲击波形成研究

通过用频域方法数值求解KZK方程;以活塞声场为例,研究了非线性超声束的冲击波形成规律。结果表明:除了非线性强度、吸收外,衍射是另一个影响非线性超声束冲击波形成的重要因素。文章发现在不同的衍射条件下的活塞声场的冲击波形成距离有很大差异。最后,还比较了不同参数下冲击波形成时的声压波形和冲击波形成的空间分布。     

爆炸信号中气泡脉动去除方法及其应用

水下爆炸声源激发的声信号包括冲击波和气泡脉动,气泡脉动严重干扰冲击波的传播特性。当气泡脉动的幅度小于冲击波的幅度时,通过对此类混合爆炸信号进行复倒谱分析,提出了基于卷积型的爆炸信号模型的同态解卷积气泡脉动去除方法,其中,针对同态滤波系统中通常采用的“梳状”滤波器会在倒谱的尖峰处产生不连续点的问题,采用了对尖峰附近的采样点进行多项式函数拟合,并根据拟合函数对尖峰采样点插值的改进型滤波方法。数值仿真和实验信号的处理及分析表明,应用该方法可以明显消除爆炸信号自相关曲线中由气泡脉动造成的对称次尖峰,并在信号的时频分布图中再现冲击波的简正波特性。这为进一步利用爆炸声源研究海洋信道的声传递函数和反演海洋环境参数提供了技术途径。      

论室内声场

室内声场的经典理论中只有简正波(混响声)而缺乏直达声,这不符合实际。实际上声源具有二重作用,或说声源的作用有两项功能。一是声源按自由空间辐射声波,只要不遇到室的墙壁、边界,就不会改变。自由辐射达到任一边界后,就逐渐失去其球面波的特性,成为被反射为壁面上的一系列小波,时间、空间、方向都是无规分布,但是小波的来源都可推到声源上,这是第二功能。这些小波继续传播、反射,最后形成室内允许的驻波,这些就是简正波了。所以声源既是直达声波的声源,又是室内驻波的声源。据此可改正室内声波方程,解出室内声场,包括直达声波和简正波,并求得直达声和混响声的关系。声衰变过程的特性。声衰变中,稳态声中的直达声不会立刻停止,其后果值得注意。PACS数: 43.20,43.55     

空气中声源激发水下声场的水平纵向相关性

声场的空间相关特性是声场的重要特征,对水下探测、水声通讯等各种设备在实际海洋环境中应用的参数选择具有重要意义,是水声工程技术研究的重要基础之一。相比于水中声源激发声场的相关特性研究,空气中声源的相关研究很少。本文推导了空气中声源激发水下声场的水平纵向相关的简正波表达式,并通过数值仿真分析,比较了声源分别位于空气中和水中时水下声场的水平纵向相关特性。对南海海域进行的一次悬挂汽笛空气声源、海底水平阵接收信号海上实验获得的数据进行分析,结果表明:空气中声源位于不同距离时,其发射的声信号激发水下声场的水平纵向相关均存在明显的起伏结构,基于本文提出的空气中声源激发水下声场的水平纵向相关系数的简正波表达式能够较好地解释该现象.      

用阴影法观察水声模型的声场

我们建立了一套用于显示模拟海底反射声场的光学系统。实验水声模型是由水-玻璃粉-玻璃-铝组成的三层模拟海底结构,声源是一个管状换能器,其轴线平行于分界面。实验用这套系统记录了从水下三个界面反射的六组波的声场图像。并且分辨出了它们各自的传播路径。从声场图像也可以得出水-玻璃粉界面、玻璃粉-玻璃界面的面波声速,玻璃粉和玻璃中的体波声速以及它们的厚度,结果与预先测出的参数符合。     

含气泡液体中的非线性声传播

考虑到分布在液体中的气泡是声波在含气泡液体中传播时引起非线性的一个很重要的因素,本文研究了声波在含气泡液体中的非线性传播.将气体含量的影响引入到声波在液体中传播的方程中,从而得到声波在气液混合物中传播的数学模型.通过对该模型进行数值模拟发现,气体含量、驱动声场声压幅值及驱动声场作用时间均会影响到气液混合物中的声场分布及声压幅值大小.液体中的气泡会"阻滞"液体中声场的传播并将能量"聚集"在声源附近.对于连续大功率的驱动声场来说,液体中的气泡会"阻滞"气液混合物中声场及其能量的传播.     

共轴双涡旋声束形成离轴多涡旋的定位

涡旋声束具有螺旋的相位波前,中轴线上形成声强为零的相位奇点,其所携带的轨道角动量在粒子操控领域有着广阔的应用前景。传统声涡旋只在传播轴线上形成一个拓扑荷可控的涡旋波束,这限制了声涡旋的应用灵活性。基于环形点声源阵列和相位编码技术,利用奇偶声源分别产生共轴双涡旋声束的声场叠加,在传播截面上形成了具有中心涡旋和子涡旋的离轴多涡旋声场;研究了双涡旋拓扑参数对离轴涡旋的个数、位置及拓扑荷的影响,基于声涡旋的径向声压和相位分布,确定了离轴涡旋的离轴半径,并结合声源位置推导子涡旋中心方位角的计算公式,实现离轴涡旋的精确定位。本研究突破了沿轴分布的涡旋声场只能形成单点涡旋势阱的操控局限,为利用离轴多涡旋实现多点粒子捕获提供了理论依据,促进涡旋声场在精确粒子操控和传输方面的高效应用。      

Physical investigation of acoustic waves induced by the oscillation and collapse of the single bubble

The objective of this paper is to apply both experimental and numerical methods to investigate acoustic waves induced by the oscillation and collapse of a single bubble. In the experiments, the schlieren technique is used to capture the temporal evolution of the bubble shapes, and the corresponding acoustic waves. The results are presented for the single bubble generated by a low-voltage bubble generator in the free field of water. During the numerical simulations, a three-dimensional (3D) weakly compressible model is introduced to investigate the single bubble dynamics, including the generation and propagation of acoustic waves. The results show that (1) Compression wave, rarefaction wave and shock wave are generated during expansion stage, collapse stage and rebound stage of the bubble respectively. (2) Compression waves are induced by the rapid expansion of the bubble and eventually steepen into one shock wave propagating outward in the liquid, then another strong shock wave is emitted at the final collapse stage. The velocity and pressure of the liquid field increases after the shock wave. (3) Rarefaction waves are generated during the collapse stage due to the contraction of the bubble. The rarefaction wave reduces the liquid pressure and its spatial distribution is dispersive. The pressure of these acoustic waves and their effect on the liquid velocity attenuate with the increase of propagation distance.     

浅海周期起伏海底环境下的声传播

海底粗糙对水下声传播及水声探测等应用具有重要影响.利用黄海夏季典型海洋环境,分析了同时存在海底周期起伏和强温跃层条件下的声传播特性,结果表明:由于海底周期起伏的存在,对于低频(<1 kHz)、近程(10 km)的声信号,传播损失可增大5—30 dB.总结了声传播损失及脉冲到达结构随声源深度、海底起伏周期及起伏高度等因素变化的规律.当海底起伏周期不变时,起伏高度越大引起的异常声传播的影响随之变大;当起伏高度不变时,随着起伏周期变大,其对声传播的影响逐渐变小.用射线理论分析了其影响机理,由于海底周期起伏改变了声波与海底的入射和反射角度,使得原本小掠射角入射到海底的声线变为大掠射角,导致海底的反射损失增大;另一方面,声线反射角度的改变会使得原本可以到达接收点的声能量,由于与海底作用次数增加或变为反向传播而大幅度衰减.在浅海负跃层环境下,声源位于跃层上比位于跃层下对声传播影响更大.周期起伏海底对脉冲声传播的影响表现在引起不同角度的声线(或简正波号数)之间的能量发生转化,一些大角度声线能量衰减加大,多途结构变少.多途结构到达时间及相对幅度的变化进而影响声场的频谱,会使得基于匹配场定位的方法性能受到影响.所以,声呐在实际浅海环境中应用时,应对起伏海底的影响予以重视.此外,研究结果对海底地形测绘空间精度的提高也具有重要参考意义.     

水中脉冲放电的电特性与声辐射特性研究

对水中脉冲放电等离子体通道电阻与放电参数之间的关系作了研究,得到了等离子体通道电阻与电容量、初始电压、电极间距离的关系,以及通道电阻随时间的变化规律.还对冲击波的峰值压力与放电参数间的关系作了研究,并对冲击波压力的功率谱作了分析,结果表明水中脉冲放电所产生的冲击波的声辐射频率在几十赫兹到几万赫兹之间,覆盖了所有水声设备的工作频率,且在低频段具有很强的声功率,是一种理想的水下声源 关键词： 水中脉冲放电 等离子体     

不同水底介质对有限域中装药沉底爆炸特性的影响

通过开展装药沉底爆炸原理性实验研究,得到了不同水底条件对装药沉底爆炸气泡运动和冲击波压力的影响规律:沉底装药水下爆炸气泡通常呈半球形,依附在水底并同时急剧膨胀达到最大半径,随后气泡做收缩运动并连带水底介质颗粒迅速上浮,同时形状发生显著变化,如在石底和泥底时气泡在水底射流的作用下呈蘑菇状上浮,砂底时气泡则呈现出柱状上浮、未出现明显脉动运动即已坍塌破裂;沉底爆炸与水底介质发生强烈耦合作用而形成不同程度的反射波,通常水下石底的反射冲击波较泥底和砂底更强烈,且一般迭加后的冲击波峰值压力高于入射波阵面压力;不同水底介质条件下,装药与水底发生的强烈耦合作用均对水底造成强冲击破坏。     

海洋波导中目标声辐射场的计算方法

针对海洋波导中目标声辐射场的计算问题,提出了一种基于波叠加法并在近、远场采用不同水声传播模型的建模方法,可以将近、远场作为一个统一的系统进行高效地分析。该方法通过给定的已知表面振动速度的结构计算出目标内部虚拟点声源的源强,再配合在相应的水声环境中点声源传播模型的Green函数计算出结构外的声辐射场。以Green函数为纽带,在求源强和计算近场声辐射场时采用镜像虚源法,而在计算远场声辐射场时采用简正波法。通过该方法得到的有限水深波导中声速剖面为正梯度、负梯度、负跃层的3种情况下的脉动球、刚体摆动球的声辐射场计算结果与COMSOL的有限元计算结果进行对比,结果表明了该方法在提高计算效率的同时保证了计算精度。      

Improving sound diffusion in a reverberation tank using a randomly fluctuating surface

Underwater reverberation environments that satisfy the conditions of uniformity and isotropy of the diffuse field can be used to measure the acoustic characteristics of underwater targets. This study combines two practical indicators — the standard deviation of the absolute sound pressure field (to indicate uniformity) and the analysis of the wavenumber spectrum in the spherical harmonics domain (to indicate isotropy) — for an accurate evaluation of the diffusion of the sound field in a reverberation tank. A method is proposed that can improve the narrow-band diffusion of the sound field by employing a randomly fluctuating surface. An acoustic experiment was performed in a reverberation water tank (1.2 m×1 m×0.8 m), where a randomly fluctuating surface was generated by making waves. The experimental results show that as the wave motion contributes effectively to the random reflection of sound rays in all directions, the uniformity and isotropy are improved significantly when the surface is fluctuating randomly. This work helps to ensure accurate measurements of the characteristics of underwater targets in reverberation tanks.     

A review of research progress in air-to-water sound transmission

International and domestic research progress in theory and experiment and applications of the air-to-water sound transmission are presented in this paper. Four classical numerical methods of calculating the underwater sound field generated by an airborne source, i.e., the ray theory, the wave solution, the normal-mode theory and the wavenumber integration approach, are introduced. Effects of two special conditions, i.e., the moving airborne source or medium and the rough air-water interface, on the air-to-water sound transmission are reviewed. In experimental studies, the depth and range distributions of the underwater sound field created by different kinds of airborne sources in near-field and far-field, the longitudinal horizontal correlation of underwater sound field and application methods for inverse problems are reviewed.     

激光空泡溃灭及其产生的声波

强激光脉冲在水中的自聚焦传输、成丝、击穿及击穿后产生的声波,近年来成为强激光脉冲传输应用研究领域的一个热点。强激光脉冲电离产生的空泡在溃灭过程中,对周围水体产生压缩,从而在水下产生声波。在现有理论基础上,考虑空泡含气量、水的粘滞系数和水的表面张力系数对空泡运动及其产生声波的影响。给出双空泡运动方程,分析空泡间距对空泡溃灭和其产生声压关系。根据实际情况,计算不同温度情况下单空泡和双空泡运动过程及其产生的声压,并进行相互比较。计算结果表明: 水温越高,空泡运动时达到的最小半径越小,空泡振荡周期和溃灭时间延长,产生声压越高。随双空泡间距减小,空泡溃灭时达到的最小半径线性减小,而其产生的最大声压则单调增大。     

The effect of reflector geometry on the acoustic field and bubble dynamics produced by an electrohydraulic shock wave lithotripter

A theoretical model for the propagation of shock wave from an axisymmetric reflector was developed by modifying the initial conditions for the conventional solution of a nonlinear parabolic wave equation (i.e., the Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznestsov equation). The ellipsoidal reflector of an HM-3 lithotripter is modeled equivalently as a self-focusing spherically distributed pressure source. The pressure wave form generated by the spark discharge of the HM-3 electrode was measured by a fiber optic probe hydrophone and used as source conditions in the numerical calculation. The simulated pressure wave forms, accounting for the effects of diffraction, nonlinearity, and thermoviscous absorption in wave propagation and focusing, were compared with the measured results and a reasonably good agreement was found. Furthermore, the primary characteristics in the pressure wave forms produced by different reflector geometries, such as that produced by a reflector insert, can also be predicted by this model. It is interesting to note that when the interpulse delay time calculated by linear geometric model is less than about 1.5 micros, two pulses from the reflector insert and the uncovered bottom of the original HM-3 reflector will merge together. Coupling the simulated pressure wave form with the Gilmore model was carried out to evaluate the effect of reflector geometry on resultant bubble dynamics in a lithotripter field. Altogether, the equivalent reflector model was found to provide a useful tool for the prediction of pressure wave form generated in a lithotripter field. This model may be used to guide the design optimization of reflector geometries for improving the performance and safety of clinical lithotripters.