Lamb波在石油勘探中的应用研究实验

用频率为342 kHz的Lamb波检测水基钻井液的含气情况. 实验结果表明:发射、接收传感器之间在重叠-100.0～-56.0 mm时,可接收到理想的信号;声速随含气量的增加变化很小,最大变化约为9 m/s,不易用声速来检测钻井液中的含气量;而声透射损失随含气量的增加急剧增大,在气泡大小、分布一定的条件下,可以用声透射损失来反映水基钻井液中的含气量.     

声呐罩夹芯式透声窗的声学设计研究

以船舶声呐罩透声窗的低噪声设计为背景,针对由粘弹性夹芯平板和平行腔体组成的简化声呐罩模型,采用双重Fourier变换方法和波数一频率谱分析,建立平稳随机湍流脉动压力激励下三层夹芯式透声窗在声呐基阵部位产生的自噪声计算方法,数值分析了透声窗几何和物理参数对自噪声的影响,提出夹心式透声窗声学设计的方法和参数。研究结果表明:三层夹芯式声呐罩透声窗的低噪声特性主要取决于夹芯粘弹性层中纵波和横波传播的截止效应以及阻抗失配效应。通过对弹性平板和粘弹性层的厚度、密度、杨氏模量、阻尼因子以及粘弹性层的纵波和横波声速等参数的合理选取,可以使夹芯透声窗比单层透声窗的降噪效果最大增加6.5dB。     

一种新的水声无源材料声学性能测量装置

阐述了一种新的水声无源材料声学性能实验室测量装置,测量频率范围10-100kHz,最大静水压至3.0MPa,被测材料样品典型尺寸为300×300mm²。装置应用多基元平面换能器基阵,大面积声透明PVDF薄膜水听器以及宽带窄脉冲信号和现代信号处理技术,在小型压力罐中建立近似的平面波自由声场,测量材料声学性能随频率、静水压的变化规律。测量参数包括复反射系数(口声降低)、复透射系数(插入损失)、衰减系数、复声阻抗和纵波声速。通过对多种不同性能材料样品的测量分析,验证了本装置的测量能力,装置的稳定性考核表明其反射测量扩展不确定度为1.2dB,透射测量扩展不确定度为0.8dB。     

充水管道声分隔片消声性能研究II.实验研究

将声分隔片结构用于充水管道,对其消声性能进行了实验研究。主要由吸声橡皮构成的长的声分隔片,在10kHz--100kHz的频率范围内,测得其传递损失在10dB左右。     

在气液混相介质中测量声透射损失

用频率分别为0．5,1,1．25,2,2．5MHz的超声波,对气水混相介质声透射损失进行了测量,结果发现：声透射损失随含气量的增加急剧增大．在气泡大小、分布一定的情况下,可以用声透射损失来反映混相介质中的含气量．     

超声换能器带宽对光声成像的影响

研究了不同尺寸吸收体产生的光声压的频谱特性：对于厘米量级、毫米量级和几百个微米量级的吸收体,产生光声压频谱的主要范围分别约为20～300kHz、70kHz～2．5MHz和400kHz～20MHz;讨论了不同频率范围的光声信号对重建图像的影响,低频段的光声信号能反映物体的非边界区域,而高频段的光声信号能突出物体的细微结构,尤其是物体的边界特征。提出了不同尺寸的吸收体要选用或设计不同带宽范围的探测器进行检测的方法．当探测器的带宽范围与光声压频谱范围基本吻合时,损失的频率成份较少,重建的光声图像效果较好,这一结论在仿真和实验结果中都得到了证明。实验用的光源为YAG激光器,波长为532nm,重复频率为30Hz,脉宽为7ns,探测器为针状的PVDF膜水听器,接收面积的直径为1mm。     

冷坩埚磁悬浮熔炼的电磁场分析

针对冷坩埚熔炼过程的悬浮特性问题,利用准三维耦合电流算法,就坩埚结构、电磁频率及感应圈电流等影响因素进行分析,为冷坩埚结构和磁悬浮熔炼的优化设计提供依据。结果显示,冷坩埚熔炼时,电磁场频率和冷坩埚结构决定坩埚的透磁能力,随频率上升,坩埚内磁通密度下降,且频率高于100kHz时下降趋势加大;其次,冷坩埚的分瓣结构使其涡流损耗降低,且磁场频率越高效果越明显。对100kHz以上的超高频磁场,坩埚应分割为(16~20)瓣;对(10~100)kHz的高频磁场,坩埚可分割为(8~12)瓣;而对低于10kHz的中高频磁场,坩埚只需分割(4~8)瓣。再者,熔体的磁悬浮力与感应圈电流成平方关系,且电磁场频率越高则磁悬浮力越大。     

用于迷你无人飞行器探测的硅基MEMS轮形振膜光纤声传感器研制

针对迷你无人飞行器(mini-UAV)探测难度大的问题,仿真设计并制作了谐振频率接近mini-UAV噪声特征频率的硅基微机电系统(MEMS)轮形振膜,结合精密机械加工制作了光纤法布里-珀罗干涉式声传感器。测试结果表明,该光纤声传感器的谐振频率为7.279 kHz,与仿真结果基本一致,其在频率为7 kHz声波正入射的条件下的灵敏度为1.8 V/Pa,信噪比为71 dB,最小可探测声压为99μPa/Hz^0.5。值得强调的是,该声传感器对声波的响应呈现“8”字形的方向依赖性,表明其具有识别声源方向的能力。进一步在户外测试了该光纤声传感器对mini-UAV的探测能力,结果表明,声传感器能够在65 m的范围内探测到mini-UAV噪声,其探测距离是商用驻极体声传感器的3倍左右。所研制的硅基MEMS轮形振膜光纤声传感器为解决实践中mini-UAV探测难的问题提供了一种简单有效的工具。     

100kHz—10MHz智能超声衰减、声速综合测试仪

本文基于单片机技术,研制了频率范围为100kHz—10MHz的超声衰减、声速综合测试仪。文中声衰减系数的测量是采用两个不同反射脉冲回波序列包络的面积之比——即“面积比值法”来求得;声速的测量是在定距离下,用时差法测出声传播时间,再换算成声速值。     

激光致声声呐换能器的设计

提出一种声呐发射换能器的设计思路。设计激光声产生系统,获取并测量激光声信号,求出激光声信号的功率谱、模糊函数、水中的距离分辨力、多普勒分辨常数。基于激光声的产生、传播、时域波形和频率特性提出声呐发射换能器的概念性设计思路。从理论上初步证明了该换能器具有良好的距离分辨力和指向性,可作为高分辨力声呐的声源。     

利用随机多项式展开的海底声学参数反演方法

为了提高地声反演算法的计算效率,探索克服地声反演结果多值性问题,本文利用宽带、多收发位置的传播损失数据结合传播损失在地声参数先验搜索区间内的随机多项式展开系数矩阵,反演得到海底纵波声速、吸收率和密度比重.使用随机多项式展开近似传播损失时,展开系数的自变量为声波频率、收发位置等参数,随机多项式的自变量为表示声速、吸收率、比重在各自搜索区间内均匀分布的随机变量.传播损失的展开系数通过嵌入随机多项式的声学宽角抛物方程结合盖辽金投影、最小角度回归算法计算求得.在低频、一定声传播水平距离以内和地声参数搜索区间长度适中时,使用随机多项式展开近似传播损失的相对误差在1%以下.仿真发现,在浅海环境中使用低频、一定声传播水平距离以内的传播损失数据,在接收信号信噪比较高、声源和水听器相对位置误差较小时,选择合适的随机多项式展开截断幂次可较准确地反演海底声速、吸收率和密度比重,且计算效率比网格遍历搜索方法提高一个数量级以上.     

激光声信号的频谱特性

构建了激光声实验测量系统,利用脉冲激光聚焦击穿水介质产生声信号,由水听器将声信号转换成电信号并送入数字存储示波器。分析了激光声信号的时频域数学模型,实验研究了激光声信号的频域能量分布,以及激光器重复频率和激光声信号频谱特性的关系。结果表明:激光声信号能量主要集中在200 kHz内,其中100~200 kHz内的能量所占比例约50%。激光声信号的幅频响应极大值点可以受到激光器重复频率的控制。     

激光声信号的频谱特性

构建了激光声实验测量系统,利用脉冲激光聚焦击穿水介质产生声信号,由水听器将声信号转换成电信号并送入数字存储示波器。分析了激光声信号的时频域数学模型,实验研究了激光声信号的频域能量分布,以及激光器重复频率和激光声信号频谱特性的关系。结果表明:激光声信号能量主要集中在200 kHz内,其中100~200 kHz内的能量所占比例约50%。激光声信号的幅频响应极大值点可以受到激光器重复频率的控制。     

复合听神经动作电位与调幅刺激声包络的时序相关分析

在豚鼠用植入内听道出口处的电极记录了调幅声诱发的复合听神经动作电位,并研究了在声参数系统地变化时反应与调制波之间的时序相关性。所用的调制波有三种:频率固定的连续或短段正弦波(频率范围40Hz~5kHz),频率变化的短段正弦波及小段语音信号。其它声参数变化范围为:载波500Hz~20kHz,调制深度5%~95%,强度20~90dBSPL。对于频率固定的连续或短段正弦调制波,在大多数参数条件下,反应与调制波之间的相关系数(r)相当高:0.80~0.95,在由于参数不适当、反应幅度下降时,r相应地变小。对于频率变化的短段正弦调制波,r在0.66~0.86之间变化。当用语音信号片段作调制波时,反应与调制波之间仍存在一定的相关性(r在0.50左右变化),表明对语音信息在耳蜗水平的编码,时间模式是有效的。文中对听觉时间机理的一些理论及技术要点作了讨论。     

浅海声场垂直相关与边界反射(散射)损失

在浅海均匀层中,利用三参数海底声学模型,引进声传播有效掠角的概念,推导了声场垂直相关与边界损失等参数的关系;提出了大面积测量低频小掠角海底反射（散射）损失的方法;在0.4—3.15kHz频段内测量了小掠角0.7—15°范围内的边界反射（散射）损失;根据本文结果及有关资料^[9,10],可以较好地解释浅海平均声场过渡距离随频率的变化。     

小掠射角下高斯谱粗糙海面反射损失建模

在散射能量基本为前向散射且集中在“镜面反射”方向的情况下,粗糙海面反射损失建模是声呐信号传播建模必不可少的一部分,尤其对于中远距离下浅海或者存在表面声道的水声环境,小掠射角(10°以内)下的粗糙海面反射损失建模尤为重要。首先基于高斯谱粗糙海面模型,通过高海况下的声传播试验数据处理分析了粗糙海面边界条件下的Ramsurf声传播模型的有效性,进而以Ramsurf声传播模型为基准,在小掠射角下,比较分析了Kirchhoff近似(KA)海面反射损失模型和小斜率近似(SSA)海面反射损失模型,数值计算结果表明,在小掠射角下SSA海面反射损失模型与Ramsurf计算结果较为吻合,是比较精确的海面反射损失模型。     

超声纵波在孔隙砂岩中的传播特性实验*

为了深入研究不同入射频率下超声波纵波在砂岩中的传播特性,以灰、红、褐砂岩为研究对象,开展了基于50 k Hz、100 kHz、200 kHz、500 kHz和1000 kHz入射频率的超声波纵波测试。提取纵波波速、幅值衰减系数、主频幅值、波形能量这些声学参数,结合入射频率和砂岩孔隙率进行传播特性的相关性分析。结果表明,在3种砂岩中,纵波波速随入射频率增大呈非线性增长趋势,砂岩种类不同,波速增长规律也不同;波形能量和主频幅值随入射频率呈指数关系降低;灰、红砂岩纵波波速随孔隙率越大,下降速率越大,褐砂岩在同级孔隙率下波速差异性明显。建立了基于3种砂岩的入射频率和幅值衰减系数的回归方程;基于200 kHz的入射频率,建立了砂岩孔隙率于波形能量的回归方程,实际测试中建议采用200 kHz作为入射频率,可较好兼顾检测的灵敏度和探测距离。研究成果为建立声学参数与砂岩抗压强度之间的内在联系提供了更多数据支撑,为实际物探测试中超声波入射频率的选择提供参考。     

包络调制率和载波频率对听觉时间调制检测能力的影响

通过心理物理实验探讨了包络调制率(<300 Hz)和纯音载波频率(<8 kHz)对听觉时间调制检测能力的影响. 测试信号为以纯音为载波的正弦幅度调制信号, 采用二选一强迫选择法和自适应调整步长的心理物理实验方法, 测试得到不同载波频率条件下的时间调制传递函数. 实验结果表明, 包络调制率和载波频率均会对听觉的时间调制检测能力产生影响. 当载波频率低于2 kHz时, 人耳的检测能力与调制率呈单调递增趋势;当载波频率高于3.5 kHz时, 检测能力也会受到调制率的显著影响, 但没有显著的单调变化趋势. 当调制率在10-100 Hz之间时, 检测能力不随载波频率明显变化;当调制率在150-300 Hz之间时, 调制检测能力随着载波频率上升而下降, 在载波频率达到3.5 kHz时, 调制检测能力不随载波频率显著改变.     

单块非平面环形腔激光器的强度噪声抑制技术研究

研究了LD泵浦1319nm单块非平面环形腔(NPRO)激光器的强度噪声特性,发现随着输出功率的增加,弛豫振荡峰频率从100kHz向280kHz移动,同时弛豫振荡峰宽度增加但幅度降低,且在弛豫振荡峰处发生π相位跃变,在600kHz以上频率区域,噪声已经接近量子噪声极限。自行设计的噪声抑制电路在实现足够大增益的同时,在500kHz附近获得了约65°的相位超前,由此获得了优于通常同类实验的噪声抑制结果:当弛豫振荡峰频率为230kHz时,弛豫振荡峰处和低频区域的强度噪声幅度分别被抑制了45dB和20dB。     

基于Hilbert-Huang变换的瞬时频率法用于水下沉积物分类

针对使用频率范围为2—7kHz的chirp浅层剖面仪系统,本文基于弛豫时间模型,采用瞬时频率的方法实现水下沉积物的分类。所采用的弛豫时间模型综合了声波在海底沉积物中的各种散射能量损失因素,并归结为一个参数。采用脉冲功率谱的中心频率偏移量来估算衰减,提出用Hilbert—Huang变换(HHT)计算瞬时频率,并对试验数据进行了分析。