水下环形凹槽圆柱体散射声场空间指向性调控

本文提出一种具有深度梯度的环形凹槽结构,可用于调控水中有限长刚性圆柱体散射声场空间指向性.基于声学相位阵列理论分析了环形凹槽圆柱声散射空间指向性改变的机理,研究表明:凹槽深度方向相位延迟和凹槽间Bragg散射的相互作用使得平面声波垂直于圆柱方向入射其正横方向散射声波发生偏转.采用有限元方法讨论了凹槽结构参数如占空比、梯度等对圆柱散射声场空间分布特征的影响规律.多个不同深度梯度环形凹槽单元组合圆柱体散射声场数值计算和实验结果显示:具有环形凹槽结构圆柱体正横方向散射声波均匀偏转到预定的空间范围内,使得圆柱体声散射场空间指向性均衡化,改变了圆柱整体的散射特征,这为水下目标声隐身设计和声波定向传播提供了新的方法.     

利用声辐射模态重构任意目标的散射声场

水下目标散射声场的重构可以作为水下目标散射特性的研究基础。本文主要利用声辐射模态对水下目标进行散射声场重构研究。首先,在借助声传递矩阵给出的任意结构声辐射模态的流体域求解方法基础上,通过理论证明了目标的散射声压与声辐射模态具有函数关系。其次,借助声场分布模态的概念,同时考虑到声场分布模态病态及声压测量易受噪声污染,提出基于声辐射模态的正则化散射声场重构算法。仿真结果表明,波数越低,重构所需声辐射模态阶数越少,在较高波数时仅需总模态数的大约20%即可对声场进行重构。与基于边界元的声场重构算法相比,计算量减小了至少80%,且克服了赫姆霍兹积分方程最小二乘法仅对球壳结构的重构效果较好而不适用于长条形结构重构的缺陷。     

浮力扩散火焰对低频外加声场的响应特性

本文通过实验研究了浮力扩散火焰在外加声场作用下的响应行为和熄火机理。实验发现,声场中的气体燃料火焰熄火时,火焰处的声压与声频呈正相关。但该正比关系受火焰和环境等因素影响,无法精确判断熄火的临界条件。因此,本文基于火焰在声场中的偏移量脉动,为声场的临界灭火条件构造了数值判据。研究结果表明,该判据对目标火焰的依赖性较低,且在各熄火条件下为常量,可以有效评判外加声场的灭火能力。此外,本文还构造了火焰对外加声场的响应模型,揭示了低频外加声场利于灭火的机理,并推测扬声器音盆的脉动是引发熄火的主因。本研究为基于外加声场的灭火新技术提供科学指导。     

自聚焦换能器的声场研究

高强度聚焦超声（HIFU）治疗局部肿瘤是一项无创伤的新技术,有着很好的应用前景,因此对其声场的研究是有实际的价值的。对声场的研究不仅有利于换能器的设计,提高治疗的效果;而且有助声场测量方案的设计,提高对治疗超声剂量的安全保证。本文采用时域有限差分法研究了自聚焦换能器的声场,分别对简谐波,脉冲波进行了研究。比较清楚地看出在焦区的声场可以认为是平面波,这对光纤端面法声场测量提供了有力的支持。     

采用球面波叠加法还原自由声场的方法

为解决非自由声场中近场声全息重建时,干扰声在目标声源表面产生的散射影响,提出一种基于球面波叠加法的自由场还原技术。该技术首先采用基于球面波叠加法的声场分离技术获得向内和向外传播的声场,然后以目标声源的表面导纳作为边界条件,实现目标声源辐射声和散射声的分离,从而获得等效于自由声场的测量条件。该技术为准确实现非自由声场中的噪声源识别创造了条件。文中首先详细描述了该技术的基本原理,并提出一种最优球面波展开项数选取方法,最后通过数值仿真说明了该技术的有效性。结果表明:在频率较低时,散射声影响较小,采用声场分离技术和自由场还原技术效果相当;但随着频率升高,散射声影响逐步增强,必须采用自由场还原技术才能准确获得目标声源辐射声。      

空气中声源激发的浅海水下声场传播实验研究

为了了解空气中声源激发的水下声场传播特性,对此开展实验研究.2010年在南海北部海域进行了一次空气中声源激发水下声场实验,在水下成功地接收到远至4 km处大功率扬声器在空中发射的脉冲声信号.本文通过分析实验数据,研究空气中声源激发的浅海水下声场传播特点.针对接收阵拾取的声传播信号信噪比低的特点,综合利用脉冲压缩以及波束...     

起伏海面散射引起浅海声传播损失的统计特性与快速声场预报方法

基于海洋环境信息、起伏海面的小斜率近似和简正波模型,研究了浅海环境中不同季节起伏海面散射引起的声传播损失的统计特性,给出了海面散射声传播损失-风速拟合公式以及一种快速声场预报方法,可据此快速评估水下长期工作设备的工作性能。仿真结果表明,对于全年运行的水声设备,当传播距离超过10 km时,须考虑起伏海面散射对声传播的影响。起伏海面散射对声场的影响冬季大于夏季,在夏季负跃层环境中起伏海面散射对下发上收声场的影响大于下发下收声场。     

指向性辐射器的简正波声场

本文讨论比较一般的指向性辐射器在分层介质中的声场,并将指向性概念应用于简正波计算。结果表明,对无方向性点源的简正波表示式补充以指向性激发函数,就可得到指向性辐射器的简正波声场,而指向性激发函数与辐射器的位置及指向特性有关。文中还分别计算了具有垂直对称性、反对称性、单边指向性以及尖锐指向性的辐射器的简正波声场。对于均匀水层中的垂直线阵,若源的分布函数正比于某一简正波的本征函数,则指向性激发函数的零点正好对应于其他简正波的本征射线的方向。 关键词：     

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。     

水下目标前向声散射探测的干涉声场畸变量分析与应用

前向声散射探测中的信直比SDR;能衡量目标前向散射波与直达波的相对大小,但未考虑两种波的干涉叠加。前向散射波与直达波实际上是干涉在一起的且很难分离,因而信直比在目标探测分析中难以直接应用。以信直比为基础并计入前向散射波与直达波的干涉效果,引入了新的参量——干涉声场畸变量ΔFTL——并给出了理论计算公式。与SDR;相比,ΔFTL可以直接从声场数据中得到,在一定程度上具有不依赖先验信息的优势。以该公式为基础并结合千岛湖缩比目标探测试验数据,(1)通过估算几何扩展损失系数发现试验中的声波为球面波,结果与依据实测水文参数的射线声场模型仿真结果相符;(2)定量地证实了ΔFTL与目标穿越位置的对应关系,同时也证明了ΔFTL理论计算公式的有效性;(3)建立了一种新的直达波抑制效果评估方案,并完成了对自适应直达波抑制方法的效能评估。目标透声和航行姿态扰动对试验结果的影响可以忽略。分析结果表明:ΔFTL能够有效代替SDR,为开展前向声散射探测性能分析或直达波抑制效果评估提供理论参考。      

任意声场中非规则形状Rayleigh散射体的声辐射力研究

为满足声辐射力更广泛的应用,克服传统辐射力理论仅适合简单理想声场及规则形状散射体的局限性,建立了任意入射声场中非规则形状Rayleigh散射体的声辐射力计算理论.针对任意声场中流体质点沿曲线轨迹振动以及非规则散射体空间姿态随机取向的特点,在散射场计算中同时计入散射体质心甲移与姿态转动的影响,得到了更为普适性的散射场速度势函数.在此基础上,推导出适于任意声场中非规则散射体的声辐射力计算公式.实例研究表明,本文方法不仅完全满足简单声场规则散射体的辐射力计算,而且还适合于任意声场非规则散射体辐射力的应用,规则散射体的计算结果与传统方法完全一致,而对于非规则散射体证实了其旋转角速度不为零,且声辐射力随姿态不同而变化.     

二维声场预测的快速多极基本解法

传统基本解法在二维大规模模型的声场求解过程中,系统方程形成和求解的计算量正比于自由度N的二次方O(N2)和三次方O(N3),求解效率低;为此,引入快速多极子算法并采用广义极小残差法迭代求解,提出一种用于二维声场预测的快速多极基本解法。对无限长圆柱体及二维类车体辐射模型的仿真结果表明,当N为3000时,分别采用快速多极基本解法与传统基本解法求解所需的时间比值约为百分之四,且N越大比值越小;最终实现系统方程的形成和求解的计算量降低到正比于自由度O(N),提高了对二维大规模模型声场预测计算效率。      

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。      

波叠加声场重构精度的影响因素分析

波叠加法是利用等效源的思想来求解声辐射问题的一种数值方法.其原理并没有确切地规定如何配置等效源.正由于这些不确切性的存在,当将它应用到声场重构时,有必要检验重构的准确性,分析影响重构精度的各种因素,目的是通过分析而获得一些提高重构精度的规律.通过理论分析和数值仿真,分析了各因素对重建准确性的影响.证明等效源必须配置在辐射体内部,而且最好能与辐射体表面共形;但测量面并不需要与辐射体表面共形,而且也不需要在近场测量;还发现,Tikhonov和TSVD正则化方法很适合与波叠加法结合用于声场重构.依据这些规律能更好地应用波叠加法进行声场重构,也将拓宽其应用范围. 关键词： 声场重构 波叠加法 误差影响因素 正则化方法     

超声波原油破乳脱水的声场参数实验研究

本文阐明了超声波原油破乳脱水基本原理,实验研究了超声场参数对脱水率的影响,其中,声强,辐照时间和频率和影响原油脱水率的主要因素,而间歇比,脉冲宽度为次要回素,对本实验系统而言,声场参数有一个最佳值或范围,声强0.65W/cm^2,频率20kHz,间歇比8,脉冲宽度9.7ms,辐照时间5－10min.     

活塞式超声换能器声场的一种解析描述

本文作者采用一种全新的“高斯函数多项式”来描述活塞声场,用这种方法计算了活塞式声场的轴向分布和远近场的径向分布,与用精确的表达式(瑞利积分)计算结果颇相符合,并证明了这种“函数多项式”或高斯函数组对于某一类函数展开是完备的,这表明轴对称声源可以看作一系列高斯声源的线性叠加。这种方法不仅为了简化声场的数学描述,而且也有利于处理有限束声场的散射、聚焦声场等声学问题。     

表面裂纹对掠入射垂直偏振横波散射的动态光弹实验分析

利用动态光弹法研究掠入射垂直偏振横波(SV波)在表面裂纹处的散射声场,给出不同倾斜角度的表面裂纹引起的散射声场分布和简化波前示意图。以垂直表面裂纹为例,有限元仿真和电法测量分别直接地和间接地证明了光弹实验结果的可靠性。表面裂纹引起的各类散射波与裂纹参量密切相关且容易区分,可使用一阶散射声波到达时间反演表面裂纹的长度和倾角,实验测量值与真实值的相对误差在6%以下。      

水下任意刚性散射体对Bessel波的散射特性分析

本文利用Bessel波的谐波展开式, 采用T矩阵方法的推导思路, 建立了水下任意刚性散射体在Bessel波照射下的声散射场计算公式. 以水下刚性椭球体和两端附连半球的刚性圆柱体为例, 计算了在不同波锥角β 下的反向散射形态函数, 同时, 依据镜反射波和绕行波的干涉物理模型, 给出了预报Bessel波照射下的反向散射形态函数峰峰间隔值的计算模型. 仿真结果表明本文提出的Bessel波照射下反向散射形态函数峰峰间隔值预报方法是准确有效的, 同时也说明, 本文建立的基于T矩阵法计算水下任意刚性散射体在Bessel波束下的声散射场方法是有效的, 这拓展了T矩阵法的应用领域.     

基于联合波叠加法的相干声场全息重建与预测理论

在相干声场中,很难将各个声源产生的声压分离开来,所以常规波叠加法不能用于相干声场的全息重建与预测。根据相干声场的叠加性,通过构造全息面与多个声源之间的联合声压匹配矩阵,建立了基于联合波叠加法的相干声场全息重建与预测理论。该理论可以精确地重构出各个声源的表面声学信息,也可以分别预测每个声源的空间声场分布,叠加后即可获得相干声场的空间分布,从而实现了相干声场的重建与预测。实验和数值仿真的结果表明:该相干声场重建与预测理论不仅能有效地解决相干声场的重建与预测问题,并且可以作为一种相干声场分离技术,拓宽了全息技术的应用范围。     

基于声能密度模型的中高频复杂声场预报方法

提出并推导了一种基于声能密度分布方程的声场预报方法。在能量和功率流的本构关系基础上建立声能密度平衡方程。应用直达声场和反射混响声场的叠加原理和边界面散射模型,建立了面向中高频复杂声场细节预报的数值计算方法。通过有限元计算结果在一个简单声场模型上对此方法做了验证,对比结果显示了声能密度法预报有可靠的精度和准确度。