同振球型矢量水听器声波接收理论研究

对同振球型矢量水听器声压和质点振速的声波接收理论进行了研究.以同振球型振速水听器测量原理为基础,推导了自由运动刚性球体和弹性球体的声波接收响应数学表达式,分析了振速水听器几何尺寸、平均密度与其频响特性曲线之间的关系;另外,根据球面接收器的声波接收理论,推导了矢量水听器声压接收响应数学表达式,通过理论分析和数值计算,研究了振速水听器表面上的声压分布规律以及声压水听器的声波接收压力系数与其接收面的大小、质点振速水听器的半径、布放的位置和半径等参数之间的关系;从理论上建立了矢量水听器声波接收理论模型和分析方法,为矢量水听器的设计和研制提供了理论依据.     

三维同振球型矢量水听器的特性及其结构设计

本文介绍了一种新型水声接收换能器－三维同振球型矢量水听器,这种水听器可以用来获取水下声场的矢量信息,文中概括地描述了矢量水听器的结构类型及其特性的表征;详细叙述了同振型三维矢量水听器的设计方法,给出了作者所研制的三维同振球型矢量水听器样器的声学特性测试结果。     

矢量水听器测试模型及拾振条件探讨

本文建立了矢量水听器的拾振模型，并分析推导了其拾振条件。首先从声学理论角度介绍了矢量水听器工作模型并得出矢量水听器的拾振条件，然后分别从声场分析的角度、振动学角度建立矢量水听器工作模型并得出相同的矢量水听器的拾振条件。即水听器波尺寸越小越好及水听器与水介质等密度的条件，另外矢量水听器与水介质质点之间悬挂系统的刚度越小越好。最后根据文献介绍的实测结果，分析了矢量水听器拾振条件的符合性。     

中频小型矢量水听器设计研究

中频小型同振式矢量水听器采用低密度复合材料作为矢量通道外壳、压电加速度计作为内部振动传感器，以拾取水下声场中的矢量信息。与以往同振式矢量水听器设计不同的是每个矢量通道中只放置一只压电加速度计，这样，不仅减小了矢量水听器的体积，降低了水听器的整体平均密度，而且消除了以往同振式矢量水听器设计中矢量通道采用两只配对传感器而引起的相位不一致给矢量水听器定向带来的影响。而声压通道采用PVDF压电薄膜作为敏感元件，以拾取水下声场中的标量信息。     

采用双迭片压电敏感元件的同振柱型矢量水听器

介绍一种采用双选片作为压电敏感元件的同振柱型矢量水听器。描述了该矢量水听器的设计方法，并给出所研制该类型水听器的灵敏度和指向性测试结果。     

基于矢量水听器的最大似然比检测和最大似然方位估计

矢量水听器由声压水听器和质点振速水听器复合而成,可以空间共点同步测量声压和质点振速,并由此得到空间一点处的声能流。本文证明在各向同性噪声场中声能流是最大似然比检测量,声能流方向是声源方位的最大似然估计;讨论声能流检测器的增益以及方位估计DOA(Direction of Arrival)的克拉美罗界CRB(Cramer—Rao Bound)。给出了计算机的仿真结果和浅海试验的结果。     

动力吸振器中库仑阻尼对吸振性能的影响

研究了动力吸振器中库仑阻尼(干摩擦)对吸振性能的影响。给出了库仑摩擦模型,在考虑了吸振器中的库仑阻尼的情况下,分析了库仑阻尼引起的主振动系统与附加质量块的2种相对运动状态(滑移和粘滞)以及它们存在和转换的条件,讨论了因库仑阻尼引起的吸振器自由度冻结现象;用Simulink仿真工具对非线性吸振器进行了数值仿真,研究了谐波和白噪声激励下库仑阻尼对吸振器吸振性能的影响以及库仑阻尼与线性阻尼的等效问题。结果显示:弱激励条件下,非线性吸振器减弱吸振效果,强激励条件下增强吸振效果。     

浅海声场垂直振速与水平振速相关特性及应用

基于矢量水听器记录的质点振速信号,研究了浅海声场垂直振速与水平振速的相关特性,理论与仿真结果表明记录的垂直振速与水平振速的相关系数是矢量水听器俯仰角度的函数,矢量水听器不发生俯仰时二者的相关系数约为零.基于上述特点,提出了一种利用矢量水听器记录信号自适应校正矢量水听器俯仰姿态的方法,实验结果表明,该方法能有效校正矢量水听器俯仰姿态.     

同振球型声压梯度水听器的研究

介绍一种采用压电加速度计作敏感元件的球形声压梯度水听器。从理论上分析了球体直径及重量对水听器灵敏度频率响应和指向性的影响；描述了该水听器的设计细节；给出作者所研制水听器的性能测试结果。     

变参数波振器中小信号增益公式

利用微扰展开技术推导出变参数波振器的小信号增益两个近似求积表达式并将其计算结果与数值模拟结果进行了比较,二者吻合很好。利用近似解析式对小信号增益进行了初步探讨,得到了电子入射能量可低于初始谐振能,能散度允许范围受波振器设计影响以及降低锥度改变率可提高小信号增益等新结论。     

弛豫铁电单晶弯曲梁矢量水听器研究

研制了一种弛豫铁电单晶(PMNT)二维矢量水听器,矢量通道和声压通道分别由两个正交压电单晶复合弯曲梁振子和PZT-5压电陶瓷圆管组成。基于弹性力学理论和水下质点振速测量原理对弯曲梁矢量水听器进行建模,推导给出了接收电压灵敏度表达式,分析了弯曲梁应力分布对矢量水听器接收性能的影响以及PMNT压电单晶材料与弯曲梁结构的匹配问题。在理论分析的基础上,研制了PMNT压电单晶和PZT、-5压电陶瓷矢量水听器样品并进行测试。测试结果表明:压电单晶矢量水听器与压电陶瓷矢量水听器相比,接收电压灵敏度提高11 dB,自噪声降低3 dB,测试结果与理论结果相符。      

弛豫铁电单晶弯曲梁矢量水听器研究（英文）

A two-dimensional vector hydrophone was developed utilizing the PMN-PT relaxor ferroelectric single crystal,which is composed of a dual-axis piezoelectric composite flexural beam accelerometer and PZT-5 piezoelectric ceramic rings.Based on the principle of elastic mechanics and underwater particle velocity measurement,the receiving voltage sensitivity of the flexural beam vector hydrophone is derived.The influence of stress distribution in the flexural beam on the performance of hydrophones is analyzed,and the match between PMNPT single crystal cells and the structure of flexural beam is studied.The tested results indicate that the PMN-PT hydrophone presents an 11 dB increase in sensitivity and a 3 dB decrease in self-noise than the PZT-5 one.     

大尺寸弹性材料中声速的实验室测量方法研究

针对大尺寸弹性材料中声速的测量问题,将传统穿透测量法与分层介质中的射线声学理论相结合,设计了一种在水池中反演测量材料中纵、横波声速的方法.该方法使用水听器接收透过待测材料后到达的高频水声信号,依据实测信号传播时间与理论值比较代价函数,最终利用寻优算法计算材料中的两类声速。本方法既克服了传统方法不能同时获得材料内纵、横波声速的缺点,又可保证待测材料的完整性。利用开发的测量系统,水池实际测量结果的不确定度小于3.5%      

压力下Nd60Al10Fe20Co10块体金属玻璃的弹性行为

室温下在等静压最高达～0.5GPa的条件下，利用超声回波技术测量了超声波横波和纵波在Nd₆₀Al₁₀Fe₂₀Co₁₀块体金属玻璃中的传播时间来确定横波和纵波速度.测量时所采用的超声波频率为10MHz.利用所测量的数据，建立了超声波波速、样品的密度、弹性模量以及Debye温度等与所施加的压力之间的相互关系.并且推导出Murnaghan状态方程.另外，基于非晶态与晶态物理性能的相似性，对此块体非晶的压缩曲线、弹性常数和Debye温度等进行了理论计算，结果表明Nd₆₀Al₁₀Fe₂₀Co₁₀块体金属玻璃的弹性性能与其组成的元素有着密切的关系. 关键词： 块体金属玻璃 弹性性能 等静压     

薄壁球形导流罩对矢量水听器接收性能的影响

在实际使用时,为了减小流噪声对矢量水听器的影响,将其放置在流线型较好的导流罩内,因此对导流罩内矢量声场的计算是非常必要的。以水下弹性球壳为研究对象,从理论上研究了弹性薄球壳声透射对矢量水听器声场测量的影响;推导了平面声波对弹性球壳声透射的矢量声场数学表达式,计算了不同壳体参数下内充水弹性球壳的声透射矢量声场对矢量水听器各通道声波接收响应幅值和相位以及各通道接收指向性的影响。理论分析表明,弹性薄球壳透射声场对矢量水听器接收声场的影响与壳体机械阻抗和水听器安装位置密切相关,水听器安装偏差对其声场测量影响比较大。     

流体-镀层基底界面波的传播特性

理论分析了脉冲激光激发的流体-分层固体结构声场,在此基础上数值计算了流体-慢层快底固体和流体-快层慢底固体结构液-固界面Scholte波的频散特性与瞬态响应.数值结果显示,对于流体-慢层快底结构,Scholte界面波呈现出正常频散特性;而对于流体-快层慢底结构,Scholte波在较小的频厚积范围呈反常频散特性.理论瞬态信号也显示了同样的特性.采用脉冲激光激励,用水听器接收的方式进行了Scholte界面波的实验测量.实验测量和分析结果与理论结果有很好的一致性.此工作可为水浸检测条件下镀层与薄膜材料参数的超声无损表征、海底沉积物参数反演等应用提供理论基础.     

芯轴型光纤水听器声压相移灵敏度响应分析

提出了一种带空气腔芯轴型光纤水听器的结构模型,并对其声压相移灵敏度的响应特性进行了研究.通过对空气腔芯轴型光纤水听器的基本原理和结构进行分析,得出光纤与弹性筒作用的相互关系;建立了动力学等效模型,得出带空气腔芯轴型光纤水听器声压相移灵敏度表达式以及频率特性的理论模型;利用有限元方法,得到芯轴型光纤水听器的响应模型.根据提出的结构和确定的参量制作出相应的探头,经过试验测试,其3 dB带宽约为30 kHz,测试结果验证了提出的理论模型与有限元模型的正确性.     

基于矢量水听器阵列空域预滤波处理的多重信号分类算法研究

矢量水听器能同时拾取声压和振速信息,在相同的信噪比、阵元数及阵列孔径下,矢量阵定向性能优于声压阵列。目前,以多重信号分类算法(Multiple signal classification,MUSIC)为代表的高分辨定向算法已经广泛应用于矢量水听器阵列中。但是随着信噪比降低、信号源方位间隔减小,传统MUSIC算法定向精度及分辨概率显著下降。本文采用最小二乘法设计适用于矢量水听器水平阵列的矩阵空域滤波器,用于阵列数据的空间滤波预处理,可以对阻带扇面噪声进行有效抑制。由滤波后的数据协方差矩阵可以得到新的噪声子空间,在传统MUSIC算法基础上修正通带扇面内阵列流型的畸变后即可得到滤波后MUSIC算法的方位谱。仿真结果表明,当信噪比较低时,改进算法有效提高了通带扇面内目标方位分辨性能。最后本文对四基元矢量水平阵列海试数据进行了处理,改进算法对窄带信号定向较常规算法-3 dB束宽减小了13°,旁瓣级降低约8 dB。对有一定带宽的行船辐射噪声定向处理得到了更加精确的航迹图,海试数据处理结果证明了该算法的可行性和有效性。     

A spiral wave front beacon for underwater navigation: transducer prototypes and testing

Transducers for acoustic beacons which can produce outgoing signals with wave fronts whose horizontal cross sections are circular or spiral are studied experimentally. A remote hydrophone is used to determine its aspect relative to the transducers by comparing the phase of the circular signal to the phase of the spiral signal. The transducers for a "physical-spiral" beacon are made by forming a strip of 1-3 piezocomposite transducer material around either a circular or spiral backing. A "phased-spiral" beacon is made from an array of transducer elements which can be driven either in phase or staggered out of phase so as to produce signals with either a circular or spiral wave front. Measurements are made to study outgoing signals and their usefulness in determining aspect angle. Vertical beam width is also examined and phase corrections applied when the hydrophone is out of the horizontal plane of the beacon. While numerical simulations indicate that the discontinuity in the physical-spiral beacon introduces errors into the measured phase, damping observed at the ends of the piezocomposite material is a more significant source of error. This damping is also reflected in laser Doppler vibrometer measurements of the transducer's surface velocity.