一种水平变化可穿透波导中声传播问题的耦合简正波方法

通过利用标准简正波程序KRAKEN计算本地简正波解及耦合矩阵, 进一步发展了求解水平变化波导中声场的全局矩阵耦合简正波方法(Luo et al., "A numerically stable coupled-mode formulation for acoustic propagation in range-dependent waveguides," Sci. China-Phys. Mech. Astron. 55, 572 (2012)), 使得该方法可以处理具有可穿透海底及随深度变化声速剖面等实际问题, 并提供声场的完全双向解. 本文还给出了双层波导中耦合矩阵的解析表达式, 并利用其验证了本方法中耦合矩阵数值算法的精度. 最后, 利用改善后的全局矩阵耦合简正波模型(DGMCM)计算了美国声学学会(ASA)提出的可穿透楔形波导标准问题, 将所得数值解与参考解比较, 结果表明DGMCM方法可以精确处理水平变化波导中声传播实际问题. 关键词： 耦合简正波理论 全局矩阵方法 可穿透楔形波导     

运动声源与接收器的脉冲简正波传播

基于简正波声场理论,导出了声源和接收器运动情况下窄带脉冲声传播的表式。分析了窄带脉冲声的单个简正波Doppler频移特性。通过研究接收与发射脉冲信号的相关,给出了窄带脉冲信号的Doppler匹配条件以及Doppler频移补偿间隔的般表式。浅海55 km的D0ppler频移补偿实验验证了理论结果。     

宽带双曲调频信号参数化时频分析波达方向估计

针对有源探测或脉冲侦查中双曲调频信号的波达方向估计问题,提出了基于参数化时频变换(PTFT)的多重信号分类(MUSIC)测向算法,简称PTFT-MUSIC算法。该算法由发射信号确定针对双曲调频信号的参数化变换核,对接收信号进行频域参数化时频变换,利用获得的时频分布建立阵列信号时频分布模型,并以此模型设计基于时频分布矩阵的MUSIC算法以实现双曲调频信号的波达方向估计。通过仿真和实验对该算法的估计误差和多目标分辨性能进行了分析,仿真和海上实验结果表明:相比现有的时频MUSIC算法,PTFT-MUSIC算法能有效提高空间谱分辨率和波达方向估计性能,同时该算法拥有对特定调频信号筛选性,结合时频域滤波算法能有效抑制相干直达波干扰,应用于多基地声呐系统时有效提高了声呐定位性能。     

超声检测中常用激励波形的高精度相控发射实现

超声无损检测根据不同的检测需求使用不同的激励波形,而超声相控阵技术的应用则要求各通道的激励波形能够相控发射。分析了不同检测对象、不同检测方法对激励信号的波形类型要求,研究了基于FPGA主控的数字式超声检测平台下实现单通道方波脉冲、尖脉冲、正弦波形和任意波形等的发射方法,以及以上各种波形在多通道高精度相控发射时的实现方法。实验表明,各种波形的激励信号都实现了高精度相控发射,最高可达1ns的延时精度。     

超声增强藻酸钙凝胶支架材料孔隙率的研究

藻酸钙凝胶具有三维立体多孔结构, 能为细胞生长提供充分的附着空间, 且具有良好的生物相容性和一定的机械强度, 是一种理想的细胞支架材料. 本文研究了藻酸钙三维支架材料的力学特性与氯化钙/藻酸钠的配比的关系, 并提出采用低强度脉冲超声处理藻酸钙凝胶、基于超声空化效应增强藻酸钙凝胶孔隙率的新方法. 实验采用交联合成方法制备藻酸钙凝胶支架材料, 测量力学特性、孔洞的联通性与孔隙率, 并利用绿色荧光蛋白的表达评价细胞的增殖能力. 结果表明, 当氯化钙/藻酸钠的配比为3:5时, 凝胶的机械强度和弹性较好, 力学性能稳定, 为最佳配比参数. 采用声压0.055 MPa的脉冲超声作用20 min, 可以有效提高凝胶支架的孔隙率; 且细胞在该支架中生长状态良好, 呈现团簇状生长趋势.     

南海深海风生噪声特性分析及其噪声源模型修正

基于2015年秋季南海深海区域43天的观测噪声与同步风速预报数据,研究南海风占主导海洋环境噪声风关特性,并对风生噪声源级公式进行修正。本地风速在3~14 m/s范围内变化时,在频段0.5~1.28 kHz,噪声强度近似正比于风速对数的2倍。据此关系,获得不同风速条件下的风生噪声谱级。将Harrison风生噪声源级公式和海面噪声传输模型结合,构建深海风生噪声数值计算模型,通过求取最优的风生噪声源级公式系数项,使得在风占主导频段和风速范围内实验谱级与数值结果误差平方和最小,对Harrison风生噪声源级公式进行修正,并使其适用频段范围拓宽两倍。最后,利用南海其它区域实验数据检验模型的适用性,结果表明,模型预报噪声级与实验值吻合度较高,可供预报南海风生海洋环境噪声级实际应用参考。      

高次谐波体声波谐振器机械品质因数的谐振谱特性

高次谐波体声波谐振器(High-overtone Bulk Acoustic Resonator,HBAR)是由基底、压电薄膜及上下电极所组成的器件,它具有高的品质因数Q和多模谐振频谱特性.从给出HBAR的谐振谱出发,以各层的结构(厚度)和材料特性(特性阻抗和机械衰减因子)为参数,系统研究了机械品质因数Q_M的谐振谱特性。Q_M随基底或压电薄膜的厚度变化表现为一系列对应不同阶数的曲线。在给定频率下,Q_M随基底厚度的增加振荡上升,且最终趋于基底材料的机械品质因数,而其随压电薄膜厚度的增加呈波浪式下降。对于给定结构的HBAR,Q_M随频率(阶数)的增加呈波浪式下降。此外,考虑电极的厚度对Q_M的变化规律影响不大。为了获得较大的Q_M,应选择Al/AlN/Al/Sapphire或YAG结构的HBAR,且基底要较厚,压电薄膜和电极厚度要适中。      

复合圆环弯曲振动四极子模态分析

针对压电圆环弯曲振动机电转换性能较差的问题,提出了一种复合圆环弯曲振动换能器,它由一个径向极化的压电陶瓷内圆环和一个金属外圆环复合而成。基于能量原理推导得到了复合圆环弯曲振动的谐振频率和有效机电耦合系数,探讨了弯曲振动四极子模态特性与其结构尺寸间的关系。当压电圆环尺寸不变时,随外侧金属圆环壁厚增加,复合圆环弯曲振动四极子模态谐振频率上升,有效机电耦合系数迅速上升到极大值后缓慢下降。最后,设计制作了圆环换能器并对其谐振频率和有效机电耦合系数进行了实验测试,测试结果与解析结果和数值模拟结果吻合得较好。      

浅海声传播的波束位移射线简正波理论 *

适用于一般分层浅海的波束位移射线简正波 (BDRM)理论 ,该理论的特点是将边界对声场的影响通过等效边界反射系数来表示 ,因而容易推广到具有切变弹性的海底 .对浅海声场的理论计算表明 ,BDRM理论具有计算精度较高、计算速度较快等优点 .利用BDRM理论计算了浅海中脉冲波形传播 ,理论与实验数据符合比较好 .     

南海北部负跃层环境下海底参数声学反演

利用2015年南海北部声学实验的实验数据,对海底声学参数进行反演。在综合分析声速起伏及海底模型对海底反演影响的基础上,通过选择等效的海水声速剖面和海底模型,改进了多参量联合地声反演方法,使得其不仅能解决反演中的多值性问题,还能适用于负跃层起伏环境下的声学反演。即当用匹配场反演海底声速和用传播损失反演海底衰减时,如果温跃层内有内波等随机起伏,可使用传播路径上平均声速剖面和单层等效海底进行声场计算。反演得到的海底声速和密度结果与海底采样测量符合较好,拟合给出了海底衰减系数随频率的非线性经验关系式。反演结果可为南海北部声传播规律研究与应用提供海底参数。