相控阵多普勒计程仪的相控波束接收方案

相控阵多普勒计程仪具有基阵体积小，且无需进行声速补偿等优点，本在讨论相控阵多普勒计程仪原理的基础上，提出了相控接收和宽带系统移相的方案，并通过试验验证了实际设计制作的相控接收系统的可行性。     

多普勒计程仪作用距离估计

多普勒计程仪已成功应用于多种载体的导航,而其最大作用距离对于设计和使用都具有重要的意义。根据声纳方程各项的定义并根据多普勒计程仪工作时的特点,推导出不同条件下声纳方程中各项的计算公式,从而对多普勒计程仪的最大作用距离进行估计,最后将某型多普勒计程仪的相关参数代入推导的公式中,并进行计算得到理论计算值。同时还计算了多普勒计程仪在不同条件下的作用距离。     

相对声速与多普勒效应

根据驻点声速的现有知识 ,通过数学推导 ,得到了声速与流速的关系计算公式 ,时间相对性公式和多普勒效应公式。     

声速剖面反演对基阵倾斜失配的敏感性研究

通过推导基阵倾斜失配给声传播时间计算带来的误差,分析了这种参数失配对基于声传播时间的声速剖面反演结果的敏感性。研究结果表明,小角度倾斜时,由基阵倾斜所带来的声速剖面反演误差与倾斜俯仰角近似成正比,与声传播时间近似成反比。当基阵倾斜方位与声源一基阵连线方向一致时带来的误差最大,而垂直时误差最小。理论计算与仿真、实验结果在变化趋势和数量级上具有较好的一致性,为反演误差预报提供了参考。     

用时空线分析多普勒效应

采用描述波源运动，观察者运动及声波在静止空气中以声速传播的三组时空线，用几何方法导出多普勒公式，并通过时空线相交分析多普勒效应中观察者接收声波信号的时序及周期，着重讨论了一般文献中未曾涉及的不同条件下多普勒效应的结果及其物理意义。     

声速剖面反演对基阵倾斜失配的敏感性研究

通过推导基阵倾斜失配给声传播时间计算带来的误差,分析了这种参数失配对基于声传播时间的声速剖面反演结果的敏感性。研究结果表明,小角度倾斜时,由基阵倾斜所带来的声速剖面反演误差与倾斜俯仰角近似成正比,与声传播时间近似成反比。当基阵倾斜方位与声源一基阵连线方向一致时带来的误差最大,而垂直时误差最小。理论计算与仿真、实验结果在变化趋势和数量级上具有较好的一致性,为反演误差预报提供了参考。      

接收基阵垂直指向性引起的附加声传播损失

具有垂直方向指向性的接收基阵对入射声波有方向加权效应，本文在该类基阵声纳方程的基础上，导出了附加声传播损失的具体表式，讨论了深度一声速梯度对附加传播损失的影响，最后给出包声速梯度条件下的算例，计算结果与海上试验吻合较好。     

巧推经典和相对论多普勒效应公式

无论是经典多普勒效应公式还是相对论多普勒效应公式,在大学物理教材中都可以找到其具体的推导方法,而且每种多普勒效应公式的推导方法都不止一种．但是这些推导方法均较为繁琐．笔者在实际教学过程中发现,通过建模,可以对两种多普勒效应公式进行非常巧妙的推导,特别是对于相对论多普勒效应公式,推导过程显得尤其简洁．     

相对论多普勒效应公式的推导

本文把光波看成是光源周期性发出的光信号，利用洛仑兹交换得到了相对论多普勒效应的公式．这个方法与从电磁波的相位不变性出发的推导相比，比较直观且无须进行电磁波的相位不变性的证明．     

一种相位调制激光多普勒频移测量方法

对相位调制拍频信号随信号光频率变化规律进行分析,发现拍频信号相位参量的频谱包含两个在值域上彼此分开的单调边缘,表明利用拍频信号的相位参量可以进行多普勒频移测量.如果利用拍频信号振幅参量对出射激光进行工作点锁定,其多普勒频移测量范围是Fabry-Perot干涉仪边缘技术的两倍.理论分析拍频信号振幅和相位参量的提取方法,表明基于此拍频信号相位参量的测量方法无需进行信号光能量检测,与Fabry-Perot边缘技术方法相比,结构更简单,且少了一条外部噪音混入的通道.为了对该多普勒频移测量方法定量分析和参量优化,利用误差合成原理以及计算机仿真,推导出其测量误差公式.根据测量原理搭建了实验系统,用频率可调光纤激光器的输出光模拟多普勒频移信号光进行测量,结果表明鉴频参量及其误差分布曲线的测量结果与理论分析相符合.     

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。      

Beamforming array techniques for acoustic emission monitoring of large concrete structures

This paper introduces a novel method of acoustic emission (AE) analysis which is particularly suited for field applications on large plate-like reinforced concrete structures, such as walls and bridge decks. Similar to phased-array signal processing techniques developed for other non-destructive evaluation methods, this technique adapts beamforming tools developed for passive sonar and seismological applications for use in AE source localization and signal discrimination analyses. Instead of relying on the relatively weak P-wave, this method uses the energy-rich Rayleigh wave and requires only a small array of 4–8 sensors. Tests on an in-service reinforced concrete structure demonstrate that the azimuth of an artificial AE source can be determined via this method for sources located up to 3.8 m from the sensor array, even when the P-wave is undetectable. The beamforming array geometry also allows additional signal processing tools to be implemented, such as the VESPA process (VElocity SPectral Analysis), whereby the arrivals of different wave phases are identified by their apparent velocity of propagation. Beamforming AE can reduce sampling rate and time synchronization requirements between spatially distant sensors which in turn facilitates the use of wireless sensor networks for this application.     

宽带相控线阵声源在套管井外地层辐射声场的指向性

套管井中的声传播涉及到波在柱状多层介质中的传播问题。通过数值计算对比了宽带相控线阵声源在套管井外均匀地层中产生的纵横波声场的指向性。结果表明,在任意胶结状况下,均可实现向套管井外地层定向辐射纵横波的技术;与地层中纵波的传播特征不同的是在主瓣偏转角方向横波幅度随着偏转角的增大逐渐增加,且在主瓣辐射方向的横波幅度受套管井胶结状况的影响较纵波小;采用玻璃钢套管代替钢套管,会进一步减弱地层声场受胶结状况的影响,这有利于实现在套管井外地层较大范围内的精确定向辐射声波的技术。     

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。     

Beamformer performance with acoustic vector sensors in air

For some time, compact acoustic vector sensors (AVSs) capable of sensing particle velocity in three orthogonal directions have been used in underwater acoustic sensing applications. Potential advantages of using AVSs in air include substantial noise reduction with a very small aperture and few channels. For this study, a four-microphone array approximating a small (1 cm3) AVS in air was constructed using three gradient microphones and one omnidirectional microphone. This study evaluates the signal extraction performance of one nonadaptive and four adaptive beamforming algorithms. Test signals, consisting of two to five speech sources, were processed with each algorithm, and the signal extraction performance was quantified by calculating the signal-to-noise ratio (SNR) of the output. For a three-microphone array, robust and nonrobust versions of a frequency-domain minimum-variance (FMV) distortionless-response beamformer produced SNR improvements of 11 to 14 dB, and a generalized sidelobe canceller (GSC) produced improvements of 5.5 to 8.5 dB. In comparison, a two-microphone omnidirectional array with a spacing of 15 cm yielded slightly lower SNR improvements for similar multi-interferer speech signals.     

多通道超声相控阵驱动控制系统设计

低强度经颅聚焦超声是一种利用脉冲聚焦超声调控脑神经元的治疗技术。为抑制人颅骨的非均质性和个体结构差异影响,须对多阵元相控阵聚焦换能器的各阵元进行参数调控实现经颅精准定位聚焦,各阵元参数调控需通过相位控制和驱动电路系统来实现。该文设计并搭建了一种基于直接数字式频率合成技术的多通道相位、幅值独立可调的相控驱动系统。实测结果表明,可实现正弦波和方波高精度相控输出,输出信号电压峰峰值在0~37.5 V可调,相位分辨率为0.1°,延时误差小于1 ns,可满足多阵元相控阵聚焦换能器驱动及其所需相位分辨率的需要。     

Lagrangian boundary condition and non-linear propagation as causes of Gaussian noise spectrum deformation

In this paper a novel analytical method of spectral analysis for acoustic Gaussian noise signals propagated in lossless fluids is presented. The starting point for theoretical considerations is the “input” signal transformation given by Earnshaw's parametric solution. By using a method of parameter elimination, based upon the filtering property of the delta function and its spectral representation, and utilizing a new theorem concerning continuous stochastic processes, an integral formula which allows one to map the power spectrum of the input signal (i.e., the boundary condition of Lagrange or the boundary condition of Euler) into the power spectrum of the particle velocity for an arbitrary point of the acoustic field (before the shock formation), is derived. The final formulae are well-adapted to numerical calculations of “output” spectra by electronic means.     

圆孔非线性声阻抗三维时域仿真与特性分析

为研究有限振幅声波作用下圆孔的非线性声学特性,提出了基于三维时域计算流体动力学(CFD)仿真的圆孔非线性声阻抗提取方法,通过求解层流方程来模拟声信号在圆孔及上下游的传播,以及采用横向周期性边界条件来考虑高穿孔率时圆孔之间相互作用的影响。研究了不同幅值声波作用下孔径、厚度和穿孔率对声阻抗的影响规律,通过对质点振速幅值、频率和板厚等组成的无量纲参量进行非线性回归分析,得到了圆孔非线性声阻抗的拟合公式,并将其转换为可考虑多频声波影响的时域模型。最后结合声阻抗时域模型和有限差分方法计算了直通穿孔管消声器在小振幅和有限振幅声波作用下的传递损失,通过与实验测量结果的比较,验证了拟合公式的准确性和实用性。     

复杂地层声波测井时差处理方法研究

在复杂地层(如砂-泥岩薄互层)的声波测井中,由于地层声速变化及界面反射波叠加干扰,导致不同接收器的地层纵波波形幅度差异明显,且相关性很差,使得提取的时差误差较大。这一声场特征可从薄互层声波测井的有限差分数值模拟中看到。针对这一现象,本文利用频率-波数域相关滤波处理技术来消除薄互层声波测井的界面反射干扰,以改善地层纵波波形的相关性。本文给出了砂-泥岩薄互层数字声波测井的现场资料处理实例,处理结果证明了该方法有效地消除了界面反射波的干扰,明显改善了地层纵波的相关性,提高了地层纵波时差曲线的分辨率,清晰地刻画出了薄互层特征。     

单声阵列的低空目标轨迹估计方法

针对低空飞行目标轨迹估计问题,提出了一种单传声器阵列的目标运动轨迹估计方法。该方法利用窄带信号的多普勒效应估计出匀速直线运动目标飞行参数,结合波达方向估计计算目标的轨迹方向、水平偏置和高度,依据几何模型确定其运动轨迹,并对信号传播时延造成的估计误差进行修正。仿真和实验结果验证了算法有效性,实现了小孔径单声阵列对目标轨迹的估计。