声波在含气泡液体中的线性传播

为了探讨含气泡液体对声波传播的影响, 研究了声波在含气泡液体中的线性传播. 在建立含气泡液体的声学模型时引入气泡含量的影响,建立气泡模型时引用 Keller的气泡振动模型并同时考虑气泡间的声相互作用,得到了经过修正的气泡振动方程. 通过对含气泡液体的声传播方程和气泡振动方程联立并线性化求解,在满足 (ω R₀)/c << 1 的前提下,得到了描述含气泡液体对声波传播的衰减系数和传播速度. 通过数值分析发现,在驱动声场频率一定的情况下,气泡含量的增加及气泡的变小均会导致衰减系数增加和声速减小;气泡的体积分数和大小一定时, 驱动声场频率在远小于气泡谐振频率的情况下,声速会随驱动频率的增加而减小; 气泡间的声相互作用对声波传播速度及含气泡液体衰减系数的影响不明显.最终认为气泡的大小、 数量和驱动声场频率是影响声波在含气泡液体中线性传播的主要因素. 关键词： 含气泡液体 线性声波 声衰减系数 声速     

南海北部负跃层环境下海底参数声学反演

利用2015年南海北部声学实验的实验数据,对海底声学参数进行反演。在综合分析声速起伏及海底模型对海底反演影响的基础上,通过选择等效的海水声速剖面和海底模型,改进了多参量联合地声反演方法,使得其不仅能解决反演中的多值性问题,还能适用于负跃层起伏环境下的声学反演。即当用匹配场反演海底声速和用传播损失反演海底衰减时,如果温跃层内有内波等随机起伏,可使用传播路径上平均声速剖面和单层等效海底进行声场计算。反演得到的海底声速和密度结果与海底采样测量符合较好,拟合给出了海底衰减系数随频率的非线性经验关系式。反演结果可为南海北部声传播规律研究与应用提供海底参数。      

深海近距离声场频率-距离干涉结构反演海底声学参数

地声反演一般存在多解性的问题,不易有效分离沉积层声速与厚度,本文提出了一种当声源与接收水听器分别位于海面与海底附近时匹配声场干涉周期反演深海沉积层声速与厚度的方法。该声场周期结构由直达波与海底沉积层反射回波干涉形成,其干涉周期受沉积层声速和厚度影响,通过匹配实测与理论计算的声场干涉周期可有效反演沉积层声速和厚度。开展了深海实验验证,利用水听器接收到的近距离船舶噪声的声场干涉条纹,反演得到的实验海域海底沉积层声速与该海域海底表层采样平均值差小于20 m/s。数值仿真与实验结果表明该方法可以有效反演沉积层的声速与厚度。      

利用海洋环境噪声估计浅海海底表层声速

为提高反演效率,提出一种快速估计浅海海底表层声速的方法。根据噪声能流理论,垂直阵接收的海洋环境噪声数据能够用于无源提取海底反射损失,反射损失曲线中具有明显的临界角效应,从而接估计海底表层声速。以射线模型为基础,推导了噪声提取的反射损失与理论值之间的差异,并讨论实际阵列波束形成在不同角度和频率下的性能。考虑到非等声速环境下声线会发生弯曲,需对角度进行修正以提高方法的广泛适用性。不同频率的临界角与有效深度之间存在对应关系,黄海某海区数据处理结果表明,在临界角不变的有效深度内,海底表层可以视为等声速层,该海区海底表层0.5 m内声速估计结果为1547 m/s,与有源反演结果相近。      

一种低声速沉积层海底参数声学反演方法

软泥底环境下沉积层参数的声学反演是国际水声领域的一个研究热点.浅海中,当高声速基底和海水之间存在一层低声速(小于海水声速)的沉积层时,小掠射角情况下不同频率声传播损失会出现周期性增大现象.基于此现象,提出一种适用于低声速沉积层的海底参数声学反演方法.首先,推导给出小掠射角情况下传播损失周期增大的频率间隔与沉积层声速、厚度及近海底海水声速之间的解析表达式;其次,利用一次黄海实验中软泥底环境下的宽带声传播信号,提取了小掠射角下传播损失增大的频率周期;再次,把该解析表达式作为约束条件,结合Hamilton密度与声速的经验公式,采用匹配场处理反演给出沉积层的声速、密度、厚度及基底的声速、密度;然后,利用声传播损失数据反演得到泥底环境下不同频率的声衰减系数,通过拟合发现泥底声衰减系数随频率近似呈线性关系;最后,给出了双层海底模型和半无限大海底模型等效性的讨论.反演结果为低声速沉积层海底声传播规律研究与应用提供了海底声学参数.     

海底反射损失的高分辨率估计方法

在海洋声学中,海底反射损失是一个重要的物理量,不仅可以用于传播损失的计算,也可以用来反演海底参数(如声速、密度、吸收系数等)。海底反射损失与声波频率和掠射角有关,近年来出现了多种估计方法,其中一种简单的被动方法是对环境噪声做垂直波束形成,来自海底与来自海面的噪声比例能够反映出海底反射损失的大小[1]。该方法的一个主要优点是能够直接得到反射损失,不需要任何反演机制。但有一个明显的缺点,当垂直接收     

利用浅海声场干涉条纹反演海底参数方法研究

浅海频散特性导致声场在距离-频率平面形成干涉条纹,该干涉条纹蕴含着声源以及海底信息。本文通过降噪、滤波等方法,提取船舶辐射噪声干涉条纹中距离域干涉准周期、波导不变量以及去扩展衰减系数(不考虑扩展损失后接收到噪声级随距离的衰减程度)三种特征量的观测值,基于无限均匀沉积层海底模型,采用简正波计算程序理论计算上述三种特征量作为拷贝,提出一种以模拟退火法作为搜索寻优策略的新的匹配反演海底参数的方法。海试数据处理结果表明,该方法反演估计所得海底密度、声速、衰减系数三参数用于浅海负跃层条件下的声场预报效果比较良好。     

斜坡海底条件下声场垂直相关特性研究

利用数值仿真和实验研究分析和总结了不同斜坡海底条件下声场垂直相关性随垂直间隔和传播距离的变化规律,并利用楔形简正波理论对海底倾斜引起的声场垂直相关变化机理进行了解释.研究结果表明,上坡和下坡地形的声场垂直相关性具有很大的差别.与水平海底相比,下坡海底会增加声场垂直相关性,上坡海底会减小声场垂直相关性.有效简正波之间的干...     

典型深海声场频率-距离干涉结构分析及实验研究

基于射线理论分析了在典型深海情况下声源与接收水听器位于海水表层时声场频率-距离干涉结构,给出了直达声作用区与影区情况下声场频率-距离干涉结构的近似理论表达式。数值仿真与实验结果表明:在直达声作用区内,由直达声与海面一次反射声形成声场干涉结构,频率域干涉周期为该两条声线到达时间差的倒数;在影区内,由声源-海底-接收器、声源-海面-海底-接收器、声源-海底-海面-接收器和声源-海面-海底-海面-接收器四条声线形成声场干涉结构,声强随着频率具有两种干涉周期,分别随着声源深度、接收水听器深度的增大而减小,并与收发距离有关。本文给出的理论表达式可以较好的解释实验观测到的声场频率-距离干涉结构。      

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。      

分层介质的正交波函数

一、问题的提出 讨论声波在浅海中传播时,常采用下列介质模型:海面被看成为绝对软边界,海水为分层不均匀介质,其中密度为常数ρ_1,声速是深度的函数c_1(z),海底被看为均匀液体半空间,其密度与声速分别为ρ_2与c_2(见图1)。本文采用物理量Ψ来描述声场,它与声压P及质点振动速度V的关系为: P=ρ~(1/2)Ψ,V=1/(iωρ~(1/2))gradΨ,此处ω是声波的圆频率,ρ是介质的密度。对于图1所示的分层介质,Ψ应满足波动方程     

匹配垂直质点振速的浅海地声参数反演

海底声学参数对海洋波导中的声场特性研究和相关应用具有重要意义。针对一次夏季黄海声传播实验,分析了浅海负跃层环境下垂直质点振速的传播特性和简正波结构,说明当声源和接收器均位于负跃层下时,除海底附近外的大部分深度上垂直质点振速能量较高,且与声压相比,号数高的简正波对垂直质点振速的贡献更大,利用垂直质点振速进行匹配场反演能获得更高的海底参数敏感性。分析了海底吸收系数对垂直质点振速匹配场反演的影响,结果表明只有当进行匹配场反演时设置的海底吸收系数接近真实值时,才能获得准确的海底声速、密度和海深反演结果。利用实验中矢量水听器获取的垂直质点振速信号进行匹配场反演,将海底吸收系数在变化范围内取不同值对海底声速、密度和平均海深进行全局搜索,根据代价函数值最大确定了海底声速、密度及平均海深的反演结果,并利用不同距离上的声压传播损失反演出不同频率下的海底吸收系数。根据反演得到的海底声学参数计算声压传播损失,与实验中声压水听器测量结果符合较好。     

水声材料横波声速和衰减系数参量源法测量系统

提出了测量10-100 kHz频段水声材料平均横波声速和衰减系数的测量系统,系统具有低频、小尺寸、窄波束的特点。测量装置应用截断参量源作为声源,结合了精密的坐标系统。在对平板声压透射系数的平面波模型进行理论修正和实验研究的基础上,测量平板样品的透射系数(插入损失)的频谱和角谱,并采用曲线拟合方法来估计样品在测量频段的平均横波声速和衰减系数。在2 m×1 m×1.5 m消声水槽中,对一些典型样品(尺寸500 mm×600 mm)进行了测量实验,结果表明,水声材料样品在声波不同入射角时的声学性能有较大差异,不能用声波垂直入射时的声学性能数据代替;横波声速和衰减系数是评定水声材料声学性能的重要参数,尤其在声波斜入射情况下;在研究材料构件或复杂器件的声学性能时它们也是必不可少和不能不考虑的。实验还验证了测量方法和系统的可行性,也表明仅在这一频段的测量还远不能满足水声工程的实际需求, 有必要将测量方法应用扩展到更低或更高的频段。     

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

利用机会运动声源的水平阵地声反演EI北大核心CSCD

针对利用机会运动声源的反演问题,提出一种对水平阵的非相干波束输出进行重构并获得海底声学参数的反演方法。不同于匹配场反演,该方法利用了声场的平滑平均原理,并且将衰减简正波的影响比例提升。仿真分析表明所提方法相比于匹配场反演对海底衰减系数更加敏感并且对声源的空间位置误差更加宽容。实验数据的反演结果表明研究海域在30~160 Hz频率范围内海底衰减系数随频率的变化关系为(0.34±0.18) f^(1.59±0.27)dB/m(f的单位是kHz),并且给出了由反演出的参数计算的传播损失曲线与实验的声传播损失数据的比较,所提方法比匹配场反演方法更准确地表征了声场传播特征。     

一种计算浅海海底衰减系数的方法

本文对液态、高声速海底介质，根据各号简正波衰减系数的水层分量变化不大的特性，提出了一种可消除水层吸收、有效计算浅海海底衰减系数的方法。该方法将用于反演海底衰减系数计算的频率范围，从低频段（f≤200Hz）提高到中低频段（f≤2kHz）。     

利用纳米力学方法对皮肤进行超声组织定征的研究

纳米力学方法适用于具有离散特性的材料.利用纳米力学方法,得出声波在多层皮肤组织中的波动方程.分别改变黑素瘤皮肤的泊松比、黑素瘤侵袭厚度(Breslow深度)、节间距离,计算多层皮肤结构模型对垂直入射纵声波的反射系数.同时计算了声速和声衰减系数随组织参数的变化.计算结果表明,可综合利用一定频率段内反射系数最小点数、声速和衰减系数的变化来表征正常皮肤和病变皮肤.     

沉积物中声速和衰减系数的宽带测量方法

海底沉积物作为海洋波导声传播的下边界普遍存在于大洋中,获知其特性对于准确的声传播和混响建模是十分必要的。为了能够快速而准确地测量沉积物中的声速和衰减系数,提出一种基于脉冲压缩技术的测量方法,对接收信号进行压缩来提取透射波,根据不同厚度样品的透射波来计算沉积物中的声速和衰减系数。该方法不仅可以克服实验过程中经常遇到的多途干扰,而且测量过程简单,可以同时获得测量频带内所有频点的声速和衰减系数,即实现了对声速和衰减系数的宽带测量。在实验室环境条件下,90~170kHz的测量频带内,测得沙样品中的声速为1710~1713m/s,衰减系数在56~70dB/m之间。通过窄带和宽带测量结果的比较可以看出,声速的宽带测量结果与窄带测量结果吻合得较好,而衰减系数在频带后半部分存在较大的起伏。      

非均匀波导中的声聚焦

理论研究了声波在非均匀波导中的空间聚焦问题,利用多模态导纳法构建波导内任意位置处声压与入射声压在模态域的映射关系,计算使声波聚焦于空间某位置时的最佳入射波,并画出了相应的聚焦声场.研究了三种非均匀情况:水平变截面波导、含散射体波导以及声速垂直变化波导.结果表明,当输入最佳入射波时,在非均匀波导中可以产生良好的单点或多点声聚焦效果,声波的聚焦过程充分地利用了波导结构及介质非均匀性对声波的散射作用.     

海底沉积物的声学方法分类

本文提出一种垂直入射声脉冲遥测海底表层沉积物类型的方法。一些作者已经指出,海底反射系数可以作为特征量用于识别沉积物类型。然而,回波信号的形状可能包含沉积物类型更多的信息。本文尝试从回波包络的形状提取分类特征量。作者在实验中采取了减少表面散射影响的措施,采用较高的频率(120kHz),突出了沉积物中声衰减系数对回波包络形状的作用,从而提取出一个与衰减系数相关联的分类特征量F。该特征量与海底反射系数、海底粗糙度无关,用计算机软件实现了分类器。对五类海底分类75次的成功率为77.3％。