深海会聚区声场多途时延差分析及声源距离估计*

深海会聚区声道由于具有传播距离远、传播损失低等优势,对实现声呐远程探测具有十分重要的意义。本文基于虚源理论推导了深海会聚区的多途到达时延结构,给出了会聚区内不同声线路径的时延差曲线随接收深度变化的近似表达式,通过分析时延差曲线与声源水平距离之间的关系,提出了一种利用多途时延差估计深海会聚区近海面声源距离的方法,仿真实验验证了该方法原理的正确性。南海实验结果表明,当收发距离在42km~52 km时,会聚区爆炸声源距离估计结果同实际爆炸距离吻合较好,估计误差为0.6%~6.1％,验证了该方法的有效性。     

深海声影区稀疏时延估计与声源测距

研究了深海声影区中经一次海底反射的多途声线到达垂直双水听器的时延差与声源位置的关系,提出了一种稀疏时延估计与声源测距方法。首先利用近海面布放的短间距垂直双水听器接收一定频带的声信号,然后计算接收信号的广义互相关函数,并利用频谱搬移和稀疏解卷积技术提取时延差,最后通过时延差匹配,估计水下声源的距离。仿真实验表明,在4300 m深海中,所提方法能够正确提取多途到达时延差,估计声影区内的声源距离。海试结果表明,当垂直接收孔径分别为21 m和30 m时,声源测距误差分别小于13.6%和8.1%。上述结果表明,所提出的时延估计方法可适应带宽较窄的接收信号,多途到达时延估计参数可用于实现声影区中的水下声源测距。      

深海大深度声传播特性及直达声区水下声源距离估计

深海大深度声传播特性对在深海近海底进行水声目标探测和定位具有重要意义。利用一次南海中南部深海不完全声道中的脉冲声传播实验数据,分析了海底附近大深度声传播损失及脉冲多途传播特性,并根据直达波和海底-海面反射波的时延差与收发距离的关系,提出一种利用深海直达声区脉冲多途到达时间进行水下声源距离估计的方法。结果表明:当接收器深度位于南海深海海底附近而声源深度较浅时,直达声区水平宽度可达30 km,传播损失相对影区来说较小,有利于水下声源探测;直达声区的直达波与海底-海面反射波的到达时延差随着收发距离的增大单调减小,可被用于水下声源距离估计。得到水下声源的距离估计结果与实验GPS测量结果较为一致,距离估计均方误差为0.28 km。      

深海海底声反射区多途时延差分析与近海面声源定位

深海海底反射声工作方式下的声场主要由4条一次海底反射声线路径构成。根据4条声线路径到达接收点的时间不同,可以得到6个不同的声线到达时延差值,当声源位于近海面时, 6条声线路径的时延差曲线随接收深度近似呈线性变化。本文基于虚源理论推导了海底声反射区的多途到达时延结构,给出了6条声线路径的时延差曲线随接收深度变化的近似表达式,通过分析时延差曲线与声源水平距离和深度之间的关系,提出了一种利用多途时延差估计深海海底声反射区近海面声源距离与深度的方法,仿真实验与影响因素分析验证了该原理的正确性。南海实验结果表明,当收发距离在10～33 km时,距离估计结果和深度估计结果都同实际声源距离和深度吻合较好,估计误差不超过15%,验证了该方法的有效性。     

刚性柱附近浅水爆炸荷载特性研究

刚性柱附近浅水爆炸时冲击波传播、气泡射流受多种因素影响。考虑水面、水底、刚性柱与水下爆炸冲击波及气泡的耦合作用,基于LS-DYNA有限元软件,建立浅水爆炸全耦合模型,通过经验公式验证有限元模型的正确性。研究表明:采用炸药直径1/3～1/2中心渐变网格能够较好地保证数值模拟精度。在冲击波传播阶段,刚性柱迎爆区冲击波峰值上升并产生切断现象,冲击波下降段被"截断",而背爆区冲击波峰值衰减约50%,同时正压作用时间增加;在气泡脉动阶段,气泡在收缩阶段产生指向刚性柱的气泡射流,当刚性柱与炸药之间的距离约为一个气泡半径时,刚性柱附近的脉冲荷载增幅最大,脉冲荷载最大测点水深较爆心上移。     

声学滑翔机联合的深海水下声源定位

为了验证多台滑翔机用于声源位置估计的可行性,提出了一种基于声学滑翔机的联合水下声源定位方法。首先利用水下滑翔机在东印度洋北部海域获取的声传播数据,分析了宽带脉冲信号的多途传播特性,然后提出了利用单水听器基于脉冲波形结构匹配的声源距离估计方法,在此基础上通过两台水下声学滑翔机联合定位的方式,实现了水下声源距离和方位的同步估计。结果表明:在印度洋深海非完全声道条件下,在100 km范围内,使用单台滑翔机估计的声源距离整体较为准确,但仍有估计误差较大点;联合两台滑翔机进行水下声源定位可进一步提高精度,对于200 m深度的声源,距离估计均方根误差为2.5 km,相对误差小于4%,方位估计均方根误差为2.4°。     

水下爆炸特性的一维球对称数值研究

 应用数值模拟方法对水下爆炸产生的诸如气泡脉动规律、脉动周期、水中冲击波压力的变化等特性进行了研究。给出了不同装药水下爆炸产生的气泡半径脉动的一些规律、脉动周期变化规律、气泡与水交界面处的压力曲线、爆炸产生的水中冲击波压力和速度的变化等结果。     

基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法

浅海波导运动声源定位研究中,在声源距离未知时估计声源深度一直是个具有挑战性的问题.现有深度估计方法对声源未知初始距离敏感,且要求声源运动形成的水平合成孔径长度远大于模态干涉长度.针对这两个问题,本文提出一种基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法,首先将垂直阵接收声压数据在深度和水平合成孔径方向分别进行波束形成变换到波束-波数域,波束-波数平面的峰值幅度仅包含与声源深度有关的模态激励,峰值位置与模态传播角和水平波数相对应;然后,在波束-波数平面内提取各峰值幅度,并与拷贝计算的模态深度函数进行非相干匹配,实现声源深度估计.所提方法在波束-波数二维平面内进行模态分离,消除了声源距离相关项,提高了模态分辨能力,可在声源初始距离未知和水平合成孔径长度小于模态干涉长度的情况下实现声源深度估计.仿真和SWellEx-96实验数据处理结果验证了所提方法的优越性能.     

铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响

为了系统地研究铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响,在验证数值模型有效性的基础上,针对铝氧比分别为0、0.16、0.36、0.63的RDX基含铝炸药,利用耦合欧拉-拉格朗日方法模拟了其水下爆炸连续的全过程,考虑了冲击波载荷和气泡载荷之间的耦合作用,从冲击波、气泡和能量输出结构三方面对影响效应进行评估。计算结果表明:随着铝氧比的增大,含铝炸药水下爆炸冲击波衰减时间常数、冲击波冲量、气泡脉动周期、气泡最大半径以及比气泡能都增大;铝氧比为0.36时,冲击波峰值压力、冲击波能流密度和比冲击波能达到最大。铝粉的加入对气泡能的提高相对于冲击波能更加显著。     

水下爆炸气泡脉动周期的简便计算方法

将爆轰产物状态方程与气泡运动方程相结合,提出了一种水下爆炸气泡脉动周期的数值计算方法,能够快速计算不同炸药水下爆炸的气泡脉动周期。结果表明:采用JWL状态方程与采用γ律状态方程的气泡周期计算方法相比,前者计算TNT炸药水下爆炸气泡脉动周期的误差更小,计算误差小于3%;通过对比RS211炸药水下爆炸实验结果,进一步验证了该数值计算方法对含铝炸药水下爆炸气泡脉动周期的计算同样具有良好的适用性。     

基于频散特征的单水听器模式特征提取及距离深度估计研究

针对浅海环境中低频宽带水声脉冲信号, 研究基于频散特征结合时频分析的单水听器距离和深度估计方法. 以简正波理论为依据, 将单水听器上的接收信号表示成一系列传播模式之和的形式, 分析了经典波导环境下的频散现象, 采用自适应径向高斯核函数的时频分析方法来表征接收信号的频散特征. 为提高时频分辨率, 采用自适应径向高斯核函数的时频分布来提取频散关系曲线中传播模式的到达时间差, 利用模式的到达时间差估计声源的距离. 采用多模式联合匹配的方式, 通过二值掩模滤波的时频滤波方法, 提取所需的模式. 通过计算实际提取出的模式能量与预测的模式能量之间的误差, 建立代价函数, 并通过模式能量匹配的方式, 确定声源的深度. 通过对基于Pekeris波导模型的浅海环境进行仿真验证, 结果表明: 自适应径向高斯核函数的时频分析方法能够很好地反映信号本身的频散特征, 具有较高的时频分辨率, 克服了传统短时傅里叶变换时频表征的限制, 使得模式在时频域更加容易辨识和分离; 从测距效果来看, 不同模式组合下的距离估计结果不同, 采用在时频面上具有较高能量的模式, 可得到较为准确的距离估计; 选用高能量的模式所得的距离估计的相对误差小于2%. 在定深方面, 参与联合匹配的模式个数越多, 代价函数的峰值更加地尖锐, 同时具有低的伪峰, 深度估计的性能会进一步有所提升. 该工作对于研究低频水声脉冲信号的分离和提取具有重大意义. 关键词： 频散信道 时频分析 单水听器 定位     

一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法

针对浅海环境中传播的低频宽带水声脉冲信号,基于简正波水平波数差和波导不变量之间的关系,本文提出了一种利用距离-频散参数二维平面聚焦测距与匹配模态能量定深的目标声源定位方法.首先,通过将由频散参数和波导不变量表示的前几阶模态相速度与由环境模型计算的相速度进行对比分析,从而估计出前几阶模态的频散参数和环境的波导不变量.其次,利用估计出的频散参数值和波导不变量对接收信号进行消频散变换处理,只有当接收信号的距离参数等于目标声源距离时,各号简正波的幅度均达到最大值,在距离-频散参数二维平面上,出现声压聚焦的现象,利用此现象可以估计目标声源的距离.不仅如此,消频散变换后的接收信号,前几阶模态在时域上明显地分离开来,可以准确地估计出前几阶模态的能量,采用多模态能量匹配的方式,可以估计出目标声源的深度.最后,通过对仿真和冬季获得的气枪信号数据处理结果验证了本文方法的有效性.     

Geoacoustic Inversion Based on a Vector Hydrophone Array

We propose a geoacoustic inversion scheme employing a vector hydrophone array based on the fact that vector hydrophone can provide more acoustic field information than traditional pressure hydrophones. Firstly, the transmission loss of particle velocities is discussed. Secondly, the sediment sound speed is acquired by a matchedfield processing （MFP） procedure, which is the optimization in combination of the pressure field and vertical particle velocity field. Finally, the bottom attenuation is estimated from the transmission loss difference between the vertical particle velocity and the pressure. The inversion method based on the vector hydrophone array mainly has two advantages： One is that the MFP method based on vector field can decrease the uncertain estimation of the sediment sound speed. The other is that the objective function based on the transmission loss difference has good sensitivity to the sediment attenuation and the inverted sediment attenuation is independent of source level. The validity of the inverted parameters is examined by comparison of the numerical results with the experimental data.     

环境扰动约束下的稀疏贝叶斯定位方法

针对匹配场被动定位技术对海洋环境扰动敏感的问题,提出了一种基于稀疏贝叶斯学习的稳健匹配场处理方法。该方法通过分析环境扰动情况下的声场构成,建立了海洋环境扰动模型,同时结合水下定位问题的稀疏性,将匹配场被动定位问题表述为稀疏信号重构问题。然后,使用稀疏贝叶斯学习方法迭代更新目标位置及模型失配权向量,收敛至最优稀疏解作为目标定位结果。最后使用仿真数据和北厄尔巴岛的海试数据对算法进行了验证,仿真和实验结果表明:该算法在海洋环境模型失配情况下也能够准确定位,且能分辨水平间距为100 m的两个目标。因此,基于稀疏贝叶斯学习的稳健匹配场处理方法能够有效利用海洋环境扰动声场结构和水下定位稀疏特性,以增强匹配场处理的稳健性和定位精度,并且具有应对多源定位问题的能力。      

Shock wave interaction with laser-generated single bubbles

The interaction of a lithotripter shock wave (LSW) with laser-generated single vapor bubbles in water is investigated using high-speed photography and pressure measurement via a fiber-optic probe hydrophone. The interaction leads to nonspherical collapse of the bubble with secondary shock wave emission and microjet formation along the LSW propagation direction. The maximum pressure amplification is produced during the collapse phase of the bubble oscillation when the compressive pulse duration of the LSW matches with the forced collapse time of the bubble.     

Mapping of an ultrasonic horn: link primary and secondary effects of ultrasound

The erratic behaviour of cavitational activity exhibited in a sonochemical reactor pose a serious problem in the efficient design and scale-up; thus it becomes important to identify the active and passive zones existing in the reactor so as to enable proper placement of the reaction mixtures for achieving maximum benefits. In the present work mapping of ultrasonic horn has been carried with the help of local pressure measurement using a hydrophone and estimation of amount of liberated iodine using the Weissler reaction and a quantitative relationship has been established. The measured local pressure pulses have been used in the theoretical simulations of the bubble dynamics equations to check the type of cavitation taking place locally and also estimate the possible collapse pressure pulse in terms of maximum bubble size reached during the cavitation phenomena. Relationship has been also established between the observed iodine liberation rates and the maximum bubble size reached. The engineers can easily use these unique relationships in efficient design, as the direct quantification of the secondary effect is possible.     

Manatee position estimation by passive acoustic localization

Passive sound source localization with sensor arrays is based on the estimation of the time difference of arrival (TDOA), and precise TDOA is required to achieve accurate position estimation. For a majority of practical localization systems (based on TDOA estimation with four sensors in two dimensions), only three time delays are computed to determine the location of interest. This paper presents an approach to determine the position of a manatee by using four hydrophones and all the combinations of the TDOAs available. With four hydrophones, six TDOAs are computed and then combined three by three to get 20 possible points for each position to estimate. Experimental results using the Hilbert envelope peak technique to estimate the TDOAs and the least square method to estimate the position are presented. For the tests conducted it is shown that for a manatee call having a high signal-to-noise ratio, the individual position estimated for each of the 20 combinations of TDOAs lies on a straight line, providing a good estimation of the direction of arrival approximately 85% of the time. However, a good estimation of the position is obtained for a manatee near the hydrophone array approximately 55% of the time.     

一种基于单水听器宽带信号自相关函数的水下目标定位稳健方法

在浅海波导中, 未知声源的本征声线相对到达时延估计是非常困难的. 声源位置在邻域内变化和声速剖面扰动对本征声线相对达到时延的影响是类似的. 基于这种思想, 提出了基于单水听器宽带信号自相关函数的水下目标定位稳健方法. 通过设计邻域位置约束, 构造加权函数, 将宽带信号自相关函数包含的交叉干扰峰值转化为能够改善目标定位性能的有用信息. 该方法不仅不需要估计本征声线的相对到达时延, 而且对搜索网格失配和环境参数失配具有相当的宽容性. 利用典型浅海环境下的仿真数据和海上实验数据(Shallow Water 2006 experiments)对所提出方法的有效性进行了验证.     

高斯射线束方法在深海匹配场定位中的应用

匹配场定位作为一种水声被动定位方法,其拷贝场计算方法的精度和速度对定位效果和定位效率有着直接的影响。尤其在深海,目前浅海中常用的拷贝场计算方法如简正波法、抛物方程近似等在深海中往往存在计算效率不够、内存需求大、难以满足实际应用的需求。高斯射线束方法具有计算速度快,物理意义清晰,易于并行化处理等优点,非常适合于深海近程声场计算。通过数值仿真算例和海上实验数据的处理验证了高斯射线束方法用于拷贝场计算的有效性。仿真和实验数据处理结果表明,采用高斯射线束方法计算拷贝场在深海匹配场定位中有很好的定位效果.      

Collapse pressure measurement of single hollow glass microsphere using single-beam acoustic tweezer

Microbubbles are widely used in medical ultrasound imaging and drug delivery. Many studies have attempted to quantify the collapse pressure of microbubbles using methods that vary depending on the type and population of bubbles and the frequency band of the ultrasound. However, accurate measurement of collapse pressure is difficult as a result of non-acoustic pressure factors generated by physical and chemical reactions such as dissolution, cavitation, and interaction between bubbles. In this study, we developed a method for accurately measuring collapse pressure using only ultrasound pulse acoustic pressure. Under the proposed method, the collapse pressure of a single hollow glass microsphere (HGM) is measured using a high-frequency (20–40 MHz) single-beam acoustic tweezer (SBAT), thereby eliminating the influence of additional factors. Based on these measurements, the collapse pressure is derived as a function of the HGM size using the microspheres’ true density. We also developed a method for estimating high-frequency acoustic pressure, whose measurement using current hydrophone equipment is complicated by limitations in the size of the active aperture. By recording the transmit voltage at the moment of collapse and referencing it against the corresponding pressure, it is possible to estimate the acoustic pressure at the given transmit condition. These results of this study suggest a method for quantifying high-frequency acoustic pressure, provide a potential reference for the characterization of bubble collapse pressure, and demonstrate the potential use of acoustic tweezers as a tool for measuring the elastic properties of particles/cells.