线阵声强缩放方法在水下声源辐射功率估算中的应用

为了解决水下声源辐射声功率难以计算的问题,利用线阵声强缩放方法在波束形成声源识别的基础上,根据波束输出结果与声源辐射声功率之间的换算关系来获得相应的声功率。为了提高线阵声强缩放方法的水下声功率估算精度,给出了一定动态范围限制的主瓣区域积分方法,并通过仿真验证了该方法的有效性。在消声水池中开展了水下声功率估算的实验研究。在不同的测试距离下,对双声源条件下的单频以及宽带声源在阵列侧的辐射声功率进行了估算,以混响法的测量结果为参考值,研究了估算误差随声源频率、测试距离等影响因素的变化规律。实验结果表明,无论是单频还是宽带声源,声功率的最大估算误差不超过2.6 dB,在高频时不超过1.6 dB。验证了线阵声强缩放方法应用于水下声源辐射声功率估算的正确性与可行性。      

线阵波束形成声强缩放方法估算声源的辐射声功率

为了解决波束形成声源识别过程中声源辐射声功率定量计算的问题,给出了阵型简洁、便于组合的线阵声强缩放模型。通过推导线阵的声强缩放系数,建立起线阵波束输出结果与声源辐射声功率之间的换算关系。无论是线阵还是平面阵的声强缩放方法,对于偏离阵列中心位置较远处的声源进行辐射声功率估算时都存在较为明显的误差。通过理论推导和仿真模拟计算,研究了同一单极子点声源在不同位置处的声功率估算偏差随频率、幅度的变化规律,发现该估算偏差只与声源偏离位置有关,而与声源自身的强度信息无关的结论,据此给出了相应的声功率估算修正方法。半消声室实验结果和声压法测量结果对比表明:修正后的线阵声强缩放方法用于中高频声源的辐射声功率计算时,单频声源的估算误差不超过1.0 dB,宽带声源的估算误差不超过1.8 dB。      

水下相干声源辐射场的分析

在无限均匀介质中,能量集中辐射问题已在“指向性”的几何概念下解决。而在浅海分层介质中,能量集中辐射自然是与浅海传播算子相匹配的相干辐射。 本文就三种典型水文条件分析了垂直线形相干声源的相干辐射增益: 1.在均匀层,Weston C区内,相干辐射增益是每10倍程5dB,相当于相干声源在Weston B区和Weston C区保持波导传播; 2.在负梯度,当相干声源的聚焦深度对准浅处目标,可以获得显著的相干辐射增益; 3.在负跃层,相干辐射穿透跃层和束缚层下波的能力显著强于点源辐射的相应能力; 4.相干声源无单程相关损失。     

基于波束形成缩放声强的声源局部声功率计算

基于波束形成法识别噪声源时,为计算主要噪声源的辐射声功率,给出了基于平面波模型的声强缩放方法,模拟计算了单极子点声源局部声功率的计算误差,结果显示:当阵列平面与声源计算平面间距离等于阵列直径时,基于波束形成缩放声强计算的声功率误差仅略高于0.1 dB。为克服旁瓣干扰,给出了具有一定动态范围的声源计算平面积分法,模拟计算了单极子点声源的局部声功率,结果表明:该积分法的计算值与主瓣区域积分法的计算值近似相等,均约等于理论声功率。进一步,波束形成法与声强法的对比算例试验验证了基于波束形成缩放声强计算声源局部声功率方法的有效性。      

基于声辐射模态讨论声能量辐射与传递

声辐射模态表示了振动声源表面的辐射模式。基于声辐射模态讨论了振动声源表面声能量辐射和声场中声能量传递的性质,给出声能量辐射和传递的模式。采用表面声强描述振动声源表面的声能量辐射,采用声强描述声能量在声场中的传递。表面声强和声强可分解成两部分,一部分将辐射的声能量传递到远场;另一部分表现为振动声源与声场之间的能量交换。针对矩形板分析了声能量辐射和传递,数值计算结果与理论结果一致。结果表明基于声辐射模态讨论声能量辐射与传递是可行的和有效的。     

基于单元辐射叠加法的结构声源声场重建方法

为了提高分布式结构声源的声场重建精度,本文提出了基于单元辐射叠加法的结构声源声场重建方法.该方法首先利用声场叠加原理和结构振声传递特性,建立了结构声源表面振动与辐射声场之间的振声传递关系解析表达式,得到便于快速计算的振声传递矩阵,能够解决连续分布、相干结构噪声源的声传播模型精细化表征问题.然后利用振声传递矩阵作为传递算子进行声场重建,并与迭代加权算法相结合.通过将基于单元辐射叠加法的声场预报结果与解析法预报结果进行比较,验证了单元辐射叠加法具有较高的准确性.并将基于单元辐射叠加法的声场重建方法与传统等效源法近场声全息和迭代加权等效源法相比较,通过仿真分析与矩形板声场重建实验证明了基于单元辐射叠加法的声场重建方法能够改善结构声源的声场重建精度并增大近场声全息的有效测试距离范围.     

阵列式双水听器平面扫描声强分布测量和声功率计算实验研究

根据双水听器法测量声强的基本原理，本文提出了基阵在湖中的布放及测量声强分布的实施步骤。通过对试验数据的处理与分析，给出了声强分布的三维力和等值曲线图，并利用扫描平面上的声强分布。计算出声源辐射的声功率。实验表明，本文提出的用列阵式双水听器声强测量系统，作平面扫描测量声强分布的方案是合理的；利用所测得的双平面近场声强分布来计算源的辐射也是可行的。     

大功率调制气流声源阵列的相干合成实验研究

完成了调制气流声源阵列的相干合成实验. 提出了利用主动相位控制方法实现调制气流声源阵列相干合成的思路, 介绍了基于随机并行梯度下降算法的声源阵列相干合成的原理. 对利用该算法实现声源阵列的相干合成进行了数值模拟, 完成了双调制气流声源阵列在远场的相干合成实验, 并给出算法参数的合理设置方案. 实验结果显示, 基频成分的相干合成效果明显, 算法收敛时测点处的声压级相比单源发射增加了4 dB, 接近于各单源功率谱中基频成分相干合成、其他频率成分非相干合成的结果; 结果表明实验中算法能够有效控制各调制气流声源辐射声波的相位, 取得了明显的相干合成效果. 关键词： 调制气流声源 相干合成 随机并行梯度下降 高阶谐波     

声强测量中背景噪声引起的误差

在声强测量中引起测量误差的主要原因之一是背景噪声的干扰。背景噪声引起的测量误差的大小不但与背景噪声场有关,而且与辐射体表面的吸声特性有关。本文对此问题作了理论分析。为了确定在飞机座舱内测量声强时的误差判据,对不同的材料进行了试验,给出了实用的工程判据及在强背景噪声环境下避免背景干扰的作法。     

联合波叠加法的全息理论与实验研究

当空间声场中同时存在多个相干声源时，运用常规近场声全息方法无法重建每个相干声源表面的声学信息，当然也无法预测每个声源单独产生的空间声场，相干声场的全息重建与预测已成为全息技术推广应用过程中亟待解决的问题.在提出联合波叠加法并将其应用于空间声场变换的基础上，对其进行了实验研究.通过对实际相干声场的全息重建与预测，验证了常规波叠加法在相干声场重建中的局限性、联合波叠加法在相干声场全息重建与预测过程的可行性和准确性，还研究了Tikhonov正则化方法在抑制声学逆问题的非适定性中的有效性和滤波系数的选择原则的可行性，以提高全息重建与预测的精度. 关键词： 近场声全息 联合波叠加 相干声场 Tikhonov正则化     

基于声强测量的近场声全息及其在水下声源声辐射分析中的应用

基于声强测量的宽带声全息（ＢＡＨＩＭ）是一种新的有效的声场重建技术，在获得了测量面（全息面）上两个切向声强分量后，利用ＢＡＨＩＭ可以预报声源的辐射场及噪声源定位。本文给出了不同声源和参数下ＢＡＨＩＭ数值分析结果，井利用自行研制的双通道自动扫描声强测量系统进行了水下声源近场声辐射的ＢＡＨＩＭ实验，结果证实了该方法的有效性，它增强了分析和识别噪声源的能力。     

浅海单矢量传感器宽带声源三维定位仿真

针对水平不变的浅海波导中单矢量传感器对低频宽带声源的三维被动定位问题,首先利用平均声强器估计声源方位；其次,通过分离简正模的声压和水平振速分量联合处理获得运动声源相对速度,进一步基于垂直声能流中简正模相干项特征频率不变性以及长时间窗口中多快拍信号的统一处理,建立WARPING变换频谱作为代价函数的搜索处理器,估计该段信号的初始距离,进而获得各时刻声源距离,所提出的方法避免了对拷贝声场和引导声源的依赖；最后,利用多阶简正模相干项与非相干项能量模基处理方法,当声场中存在三阶以上简正模时,可对声源深度进行匹配估计。仿真分析表明,单个矢量传感器能够给出声源的方位、距离及深度估计结果。     

由小斜率近似计算空气声经粗糙海面透射至深海中的声场

采用一级小斜率近似方法处理空气声经粗糙海面透射至深海中的声场问题,导出了透射场及其相干分量的表达式。假定海面高度一维变化且频谱满足PM谱,采用小斜率近似方法计算了相应的透射场。对于空气中的线源,小斜率近似与积分方程方法结果一致。当水下测量点距离较远且深度较浅时,平均声强随海面均方根高度增加而增加至一极限值,相干声强则随海面均方根高度增加而一致减小。对于空气中的点源,小斜率近似计算表明,水下平均声强还依赖于测量点相对于声源的方位,而相干声强则与测量点的方位无关。      

声场分布中的负向声强

本文讨论了相距很近的两个点声源的声强分布,发现位于声源之上的平面法向声强在某些区域为负向声强。对纸盆扬声器声场的实测结果也显示出与理论计算相符的负向声强。本文的理论计算及实际测量结果对负向声强的传统解释增加了新的内容。     

矢量气动声学的理论研究进展及应用

气动声学的声比拟理论以密度、声压等标量为波动算子变量,建立非齐次波动方程,描述流体运动及与边界作用诱发声音的辐射,但标量无法直接描述声能量的传播过程和途径.在流体力学研究中,标量用于描述当前当地的物质状态,而矢量用于描述质量和能量的传输.借鉴上述思想,开展了矢量气动声学的研究,概述矢量气动声学的理论研究进展及应用,主要包括:（1）以声粒子速度为变量,采用声比拟理论的思想直接从Navier-Stokes方程出发推导建立了气动声学的矢量波动方程及两种频域解;（2）综合利用声压和声粒子速度的积分解,直接求解声源周围的瞬时和有功声强矢量场,直观显示声能量的传播途径,应用于旋转声源辐射声能量的传播分析,揭示了亚音速旋转声源辐射声能量的3种传播模式:螺旋模式、声学黑洞模式和R-A模式;（3）采用球谐级数展开方法建立旋转点/紧凑声源辐射噪声的声压和声粒子速度的频域解析解,在此基础上推导了声功率谱的频域解析解,建立了识别旋转叶片声源在空间域和频域分布特征的方法;（4）综合利用矢量气动声学方法和等效源方法,显示声源和散射边界周围声强矢量场的分布特征和能量传播途径,直接揭示了阻抗边界主要的吸声位置以及直接计算得到阻抗边界的吸收声功率.      

低噪声通过特性的测量仿真研究

本文研究运用组合传感器和声压、振速联合信息处理技术进行低品声通过特性的测量。通过特性的背景噪声出非相干的各向同性白噪声和相干的交通干扰组成,交通干扰又分为平稳与非平稳两种,用平均声强器来抗非相干干扰;用交通干扰能量流中心方位抑制技术来抗平稳的相干干扰;对于非平稳的相干干扰而能量流中心方位抑制技术。仿真试验表明效果良好。     

风成噪声背景下垂直阵阵列信噪比随声源深度的变化规律

风成噪声是海洋中最广泛存在的环境噪声、是被动声纳处理性能的重要影响因素.它具有一个典型的物理性质是很大程度上只对应中高阶模态.阵列信噪比计入了阵列采样辐射声强、背景噪声功率和阵处理增益,是决定声纳阵列处理性能的关键物理量.本文研究了受风成噪声模态结构影响,典型夏季浅海环境中垂直阵阵列信噪比随声源深度的变化关系.在简正波模深函数采样完整的假设条件下,理论证明了阵列信噪比随声源深度的变化可近似为低阶模态幅度强度(模深函数模值的平方)随深度变化的线性叠加,且模态阶数越低,贡献越大;并且,在强风成噪声背景、显著负梯度环境下该变化规律可由1阶模态幅度强度随深度的变化近似独立表征.以上结果表明,在同一声源距离条件下,声源置于水体下半部分时的阵列信噪比比置于海面附近更大,并且在位于1阶模态峰值点所在深度附近时达到最大.典型负声速梯度浅海环境中的仿真实验结果对理论分析进行了验证,并表明在一定条件下阵列信噪比随声源深度的变化与声源距离近似无关.     

混响室内声源的声功率输出及声强分布

本文讨论了混响室内的声强分布,指出混响室内声强分布与自由场一样,对点声源服从平方反比律。对混响室及消声室的声压及声强随时间的起伏作了初步摸索,得到了几条实验规律,指出声强起伏比声压起伏更大。采用声强测量方法对同—声源在消声室及混响室内的声功率输出作了测量,说明声源的声功率输出是随环境变化的声学量,在混响室内声源的低频发射要比消声室内的发射要低。     

单层传声器阵列重建相干声场的近场声全息方法研究

针对传声器阵列两侧存在相干声源的非自由声场重建问题,提出基于球面谐波函数扩展近场声全息理论的相干声场重建方法。该方法在已知测量面两侧声源几何位置时,使用单层传声器阵列获取测量面处的声压分布,通过最小二乘法获得与目标声源和干扰噪声源响应对应的最优球波函数扩展项数和最优系数向量,结合测点位置的空间坐标进行声波分解,并分别重建出各声源在测量面上的声压分布。为了验证方法的有效性,分别给出了相干噪声源为球形声源和非球形声源的仿真验证,并在全消声室内对双扬声器产生的相干声场的重建进行了实验验证。结果表明:该方法对球形声源和非球形声源干扰下的声场重建都具有较好的效果,球形声源干扰下的重建精度更高。     

单层传声器阵列重建相干声场的近场声全息方法研究

针对传声器阵列两侧存在相干声源的非自由声场重建问题,提出基于球面谐波函数扩展近场声全息理论的相干声场重建方法。该方法在已知测量面两侧声源几何位置时,使用单层传声器阵列获取测量面处的声压分布,通过最小二乘法获得与目标声源和干扰噪声源响应对应的最优球波函数扩展项数和最优系数向量,结合测点位置的空间坐标进行声波分解,并分别重建出各声源在测量面上的声压分布。为了验证方法的有效性,分别给出了相干噪声源为球形声源和非球形声源的仿真验证,并在全消声室内对双扬声器产生的相干声场的重建进行了实验验证。结果表明:该方法对球形声源和非球形声源干扰下的声场重建都具有较好的效果,球形声源干扰下的重建精度更高。