稀疏圆柱基阵波束垂直扫描

本文分析了三维圆柱形基阵波束垂直栅瓣形成机理,导出波束垂直扫描极限波长和基阵其他参数的关系,指出指向性函数通常是复数,并用子阵相移法来调节复合子阵的相位特性,在圆环阵指向性图适当位置插入零点,以消除垂直栅瓣、扩大基阵波束扫描范围。对不同基阵,找出相移参数β的最佳值,一般取kβ≈0.5为宜。以两个弧面阵为例作了数值计算,证明对全圆阵导出的极限波长也适用于弧面阵;和相同条件下未相移基阵相比,可将波束垂直扫描范围扩大到间距d为五个波长左右,或将基元数减少2—4倍;当未相移基阵指向性图出现栅瓣时,并可将指向性指数提高1.7到5.5dB。     

非均匀钹式换能器平面阵指向性特性研究

针对钹式基阵工作频率低、布阵紧凑导致阵元之间互干扰严重、指向性能退化的现象,本文在均匀平面基阵的基础上提出强度可调节的非均匀平面基阵,建立了基阵指向性能的数学模型,通过数值计算的方法分析阵元间距和中心阵元声强度变化对基阵指向性能的影响。研究给出了主瓣宽度、旁瓣个数、栅瓣个数随阵元间距的变化规律,总结了在各种工作频率下,基阵可用的最大阵元间距。研究结果表明:中心阵元强度增大时,基阵的总体指向性稍有降低。所以当通过调整阵元间距和强度来优化基阵指向性能时,应综合考虑它们对基阵其它性能的影响,以获得最佳的总体性能。     

基于平面声全息的全空间场变换:Ⅱ.水下大面积平面发射声基阵的近场声全息实验

研制了一套多通道水声声全息测量系统,解决了多通道系统的校准及弱散射水听器接收线阵的设计等问题。在非消声水池内,利用该系统对水下大面积平面发射声基阵进行了近场声全息实验,给出了声基阵表面的声强分布、声基阵各阵元及全阵的辐射声功率、基阵远场空间指向性图和指向性参数等。实验结果证明脉冲法和分区扫描数据合成的测量方法是可行的,实验系统的设计与实施方法可用于更大规模的声全息系统。     

小孔径方阵对大气中运动声源的定位研究

研究大气中小基阵无源声探测精确定位模型问题。利用小基阵中全部声程差量建立全部简单模型,用最佳线性融合方法获得精确定位模型,组合模型的精度高于每一个简单模型的精度。建立了对空间立体阵和平面阵的通用建模方法。该模型避免了小基阵对空间声源定位的盲区效应。用平面正方形阵外场试验数据对定位模型进行了检验,试验数据包括了声源在一定高度作直线运动、俯冲运动、转弯运动、绕圈四种运动。得出了声源的运动轨迹,验证了该模型对低空声源的定位精度高和方差小,特别是对方位角的定位精度高。该方法尤其适用于对广泛采用的平面正方形阵、正五元空间阵、正四元空间阵和正四面体阵建模。     

阵元间互辐射对基阵指向性的影响研究及试验

针对常规基阵指向性图计算并未考虑阵元间互辐射阻抗影响这一不足,修正了常规基阵指向性图计算公式。将阵元间的互辐射阻抗引入到水声基阵的辐射声场计算中,并依据叠加原理得到包含阵元间互辐射阻抗的基阵指向性图计算修正公式。15元均匀线列阵和5×5均匀平面阵的计算机仿真和消声水池试验结果表明,该修正公式相比于常规公式更能反映基阵指向性图的真实情况。      

宽带密排平面阵声辐射分析

应用声有限元-边界元法计算了宽带基阵声场分布.建立了平面9元阵有限元-边界元模型,给出了阵元之间互阻抗数值计算方法,分析了阵元间互辐射对声性能影响的变化规律,计算了9元阵3个谐振频率点处指向性和波束宽度.利用3谐振换能器研制出一种宽带密排平面9元阵,并在消声水池中对其输入阻抗和指向性进行了实验测量.研究结果表明,按阵元...     

水声共形阵辐射指向性计算方法及其实验验证

用边界元方法,给出了水声发射换能器共形阵各阵元的单元指向性以及基阵的自然波束指向性和束控波束指向性。首先建立了换能器共形阵的边界元模型,并根据换能器结构和声传播介质建立了模型的边界条件,计算了其辐射指向性。然后在消声水池中对共形阵各阵元以及基阵的辐射指向性进行了实验测量。将理论计算结果与实验测量结果进行了对比,二者吻合得比较好。研究结果表明:基于边界元方法建立的模型及计算方法,对基阵的辐射指向性进行理论计算和预报是可行的。     

声音目标被动定位算法的野值分析

阐述了基于四元平面十字阵的声音目标被动定位的原理.利用目标与基阵平台分布在不同平面的特点,采用简单的平面阵实现目标的三维定位,简化了布阵的复杂性.针对基于四元平面十字阵的声音目标被动定位算法,分析了野值产生的原因,并研究了水平方位角、垂直俯仰角、时延估计误差度、目标距离、基阵尺寸等因素对野值产生的影响.     

波束域加权子空间拟合算法

将阵元域高分辨加权子空间拟合算法（ＷＳＦ算法）推广到了波束域中,利用声系统接收基阵波束输出信息估计目标方位．由于波束输出可以看作是,一个阵元数为波束个数的虚拟阵的阵元输出,而在大多数的水声系统中,参与确定某个来向的信号方位的波束数通常远小于阵元数,从而算法的运算量得以大大降低。针对某水声系统接收基阵波束输出所作的计算机仿真结果表明,波束域ＷＳＦ算法应用到实际的水声系统时,可以保持其在阵元域中估计目标方位的优越性能。     

用多子阵空间互相关矩阵估计合成孔径声呐基阵速度

受接收子阵长度的影响,单纯依靠重叠相位中心的合成孔径声呐(Synthetic Aperture Sonar,SAS)基阵速度估计方法的精度较低。为此,提出一种利用多子阵空间互相关矩阵的方法以提高速度估计精度。通过SAS多子阵回波数据构造空间互相关矩阵(Spatial Mutual Correlation Matrix,SMCM),利用Radon变换和SMCM系数分布精确估计重叠相位中心对直线(Line of Displaced Phase Center Pairs,LDPCP)参数,并利用重叠相位中心对速度关系式估计SAS基阵速度。对高低频SAS试验数据应用的结果表明:该方法可有效地消除接收子阵长度的影响,将基阵速度估计的精度提高3~5倍,满足高频和低频SAS系统成像的要求。      

各向异性焊缝中超声相控阵瞬态声场仿真及缺陷定位方法

针对多层各向异性奥氏体不锈钢焊缝中超声相控阵瞬态声场的仿真问题,提出应用高斯声束等效点源模型计算宽带离散化的多个单频稳态声场,通过傅里叶变换将其拓展为瞬态声场,并分析了声场转换过程的主要影响参数。该方法可快速计算焊缝内部超声相控阵聚焦声场的瞬态能量分布和任意一点的时域波形信号。在此基础上针对多层奥氏体不锈钢焊缝内部缺陷的超声相控阵成像检测问题,提出利用上述时域高斯声束法对多通道缺陷散射信号进行时间反转计算,并根据时域声场焦点确定缺陷位置。最后通过实验,验证使用此方法检测实际奥氏体不锈钢焊缝试块内部缺陷的效果。结果表明,提出的方法能够确定缺陷位置,且计算速度快、运算量小,适合作为多层介质内部缺陷实时成像的声场仿真模型。      

cMUT阵元的声学分析与环形扫描成像

电容式微机械超声换能器(cMUT)具有宽带宽、灵敏度高、机械阻抗低和与电子电路集成制造等优点.由于超声换能器声场设计的好坏决定了成像质量的优劣,为了明确阵元参数与辐射声场的关系,该文对不同的阵元参数进行了计算仿真.与压电陶瓷超声换能器的结构不同,cMUT阵元是由多个电容单元(cell)并联构成.因此分析了cell的半径...     

单层传声器阵列信号空间重采样的声波分离方法

为了重构非自由声场中目标声源的声场响应,提出单层传声器阵列信号空间重采样的声波分离方法.以球面波函数为基函数,建立由系列球面波函数叠加表达的声场数学模型.基于近场声全息原理,利用单层传声器阵列面上空间重采样形成的两组声压测量信号,求解基函数系数,并重构出传声器阵列两侧声源各自的声场响应,实现声波分离.使用脉动球和振动球共同作用的非自由声场,检验了数学模型以及传声器信号信噪比、传声器阵列形状和面积、声源中心位置、频率等关键参数对声波分离精度的影响,并在全消声室内进行了实验验证.最后,对单层传声器阵列重采样的声波分离方法的实施给出了建议.     

采用分布式球形阵列的球谐波域声场分离方法

为从测得的混合声场信号中提取出需要的目标声场,提出一种基于分布式球形传声器阵列的声场分离方法。该方法依据声场的球谐波分解,利用阵列各传声器采集到的声场声压信号,获得目标声场与干扰声场的球谐波展开系数,进而估计目标声场。该方法利用声场以不同中心展开的球谐波系数之间的变换关系,直接建立传声器测量声压信号与整体坐标系下声场展开系数的方程,与传统的分布式球形阵列声场分离方法,即先求解局部坐标系下声场展开系数,再变换为整体展开系数的方法,进行比较。分别通过数值仿真和实验说明了提出方法的有效性。结果表明:该方法能够从混合声场中较准确地估计出目标声场,并且在干扰声场能量增大时,保持了较小的声场估计误差,相比于传统方法误差增加更少。     

恒定束宽扬声器线阵列优化研究

为了保持恒定束宽扬声器(Constant beamwidth transducer,CBT)线阵列高频指向性恒定,解决单元间距过小的问题,减小阵元数目,提出了利用声波导代替扬声器单元,建立了波导CBT阵列的声场模型。基于数值计算结果和数据分析,比较了不同阵元数目的波导CBT阵列和CBT阵列的指向性和声场分布,讨论了有效辐射率和使用阵元数目的关系。通过提高有效辐射率可以有效降低CBT阵列所需阵元数目,解决了扬声器单元间距过小的问题。     

微纳相控线阵超声换能器参数的理论分析*

微纳相控线阵超声换能器参数(阵元数目、阵元宽度及阵元间距)直接影响其横向声场分布,而其横向声场分布是能否实现高成像分辨率、大探测深度的决定性因素,也是制备换能器的主要依据。该文利用数值模拟研究微纳相控线阵超声换能器阵元参数对其横向声场中主瓣强度、-3 dB主瓣宽度、第一级旁瓣及栅瓣的影响。结果表明,主瓣强度随着阵元数目增加而增大,随阵元间距减小而增大,随着阵元宽度的增大呈现先增大后减小的趋势;-3 dB主瓣宽度随着阵元数目和阵元间距的增大而减小,随着阵元宽度的减小而减小;此外,减小阵元数目、减小阵元间距或增大阵元宽度均可以抑制旁瓣;栅瓣在阵元间距满足一定条件时可以完全消除。通过这些研究为微纳相控线阵超声换能器的优化设计与制备提供理论参考。     

Observation of Stable Sound Field Components in Lake Ladoga

The paper presents the results of processing measurement data on the spatiotemporal structures of sound fields in Lake Ladoga. Measurements were taken with an extended vertical receiver array. The aim of processing was to isolate the field components that were stable with respect to small variations in the waveguide parameters. Since a model of the medium is inevitably inaccurate, such components can be predicted with greater accuracy than the total field. In terms of the ray approach, a stable component is generated by a beam of rays propagating over close trajectories. The discussed experiment analyzed sound fields excited by a point source that emitted wideband pulses, as well as the fields of wave beams excited by the emitting vertical array at fixed frequencies. In both cases, the processing results showed that the isolated stable components, as expected, coincide substantially better with the prediction of theoretical calculation (by the wide angle parabolic equation method) than with the total wave field.     

Determination of the Source Bearing in a Waveguide by Using the Sound Field Interference Pattern

The feasibility of determining the source bearing in a waveguide by an extended horizontal line array with the use of the sound field interference pattern is studied. The sound field is generated by an omnidirectional monochromatic point source and is represented as a sum of modes. The case of a small number of lowfrequency modes is considered.     

高斯叠代法研究相控阵非线性声场

相控阵在聚焦超声治疗应用中不可避免地受到非线性影响,提出了采用高斯叠代法计算相控阵的非线性声场。在该方法中,利用预设焦点参数并应用伪逆矩阵算法得到阵元的激励参数;然后将阵元近似拟合成一组高斯声束的叠加,通过高斯声束叠代计算非线性声场。数值计算中以64阵元一维相控阵为研究对象;线性条件下,高斯叠代法结果与菲涅耳积分结果的误差低于0.5%,验证了该方法的可行性;单焦点及双焦点模式的相控阵非线性声场结果表明非线性效应能提高焦点聚焦性能,并且非线性效应与激励声压及激励频率成正比。      

瞬态波位移场计算方法在相控阵声场模拟中的实验验证

通过实验研究了声束偏转不同角度和声场半径变化时线性相控阵的声场特性,并与基于瞬态波位移解析解的相控阵声场计算方法得到的理论结果进行了对比。首先研究了基于半圆圆弧离面瞬态位移的声场计算方法,并进行了数值计算可靠性的优化。然后建立了一套相控阵瞬态波位移场的测量系统,以半圆形钢板为试件,纵波传感器为接收传感器,测量了偏转角度为-10°,-30°,-50°,-70°,及声场半径为50 mm,75 mm,100 mm和125 mm时线性超声相控阵的声束指向性;同时以基于瞬态波位移解析解的相控阵声场计算方法,计算了相同条件下该相控阵的声束指向性。最后将实验结果与理论结果进行了对比,取得了较好的一致。说明基于瞬态波位移的相控阵声场计算方法可以较好地计算线阵的声场,对于声束偏转较大角度和声场半径变化时也同样有效。