空气中声源激发的浅海水下声场传播实验研究

为了了解空气中声源激发的水下声场传播特性,对此开展实验研究。2010年在南海北部海域进行了一次空气中声源激发水下声场实验,在水下成功地接收到远至4km处大功率扬声器在空中发射的脉冲声信号。本文通过分析实验数据,研究空气中声源激发的浅海水下声场传播特点。针对接收阵拾取的声传播信号信噪比低的特点,综合利用脉冲压缩以及波束形成方法提高接收信号的信噪比,得到收发距离1～4km、频率200～1000Hz范围内的传播损失实验值。在理论上,采用波数积分方法进行了声场数据模拟,结果表明理论计算的传播损失与实验结果较为一致。

深海移动水平阵声源被动定位方法研究进展

被动定位是水声装备研制和海军国防建设的重要需求,研究有效实用的深海声源定位方法具有重要意义。适装于移动平台的水平声学基阵是实现被动定位的有效技术途径之一,但受限于深海声场特性复杂多变、基阵垂直孔径不足等因素,其被动定位算法设计面临诸多挑战。该文以深海移动水平阵被动定位为应用背景,从深海环境和声传播特性出发,简要概述了深海声源定位方法的研究进展,包括传统几何定位方法、匹配场处理方法、基于多途传播特性的深海环境适配方法以及机器学习类方法,并讨论了未来发展趋势和可能的研究思路。

随钻声波数据遥传中的声通信仿真研究

实时高效的数据遥传是制约随钻测井发展的关键技术难题.随钻声波遥传技术利用周期钻柱中的声载波传输测井数据,有望突破目前的低速遥传限制.随钻声信道是流固耦合的复杂波导,然而理论模型大多将其简化为自由钻柱,而忽略了充液井孔的耦合效应.本文从信道建模理论出发,构建了基于四端口传播矩阵的全波信道函数,并提出低复杂度的单载波相干声通信方案,从理论上评估了随钻声信道响应特性与传输性能.通过与有限差分法的对比验证了本文信道建模方法的有效性.仿真结果表明:随钻声信道具有离散带隙的幅度特性和非线性失真的相位特性;信道通带内传输的调制载波具有显著的群延迟,补偿后的系统传输性能得到提升;189.5 m信道通带内能实现单载波20 bps的有效数据传输.本文结果为随钻声波遥传提供了理论依据.

深海水平阵对空中声源的近场定位研究

为实现水下对空中声源的探测定位,提出了一种利用深海不同路径声线进行近场聚焦波束形成的定位方法,实现了海底水平阵对近场菲涅尔区空中声源的定位。分析表明,直接利用不同路径声线进行聚集波束形成定位时,空间谱会产生伪峰。为此,应用了基于声线到达幅度加权的伪峰抑制方法。仿真及海试实验数据验证了该方法的有效性,能够准确定位飞行高度约5000 m、水平距离在13~17 km范围内的固定翼飞机目标,平均定位误差为0.9 km。与仅利用直接透射声线的传统方法相比,所提方法显著提升了远距离空中声源的定位性能。

非水平海底地形下浅海全波导声场波动成分分析

为分析浅海非水平海底地形下甚低频声波激发海底地震波场波动成分,阐明海底地形变化对水中声源所激发海底地震波场的影响规律,开展了理论建模与数值仿真研究。基于时域有限元法,在柱坐标系下推导并建立了一种浅海水体/海底全波导下的声场计算模型,结合仿真算例讨论了上坡海底、下坡海底、海底山三类典型非水平海底地形对海底地震波场成分的影响规律及机理。研究结果表明,利用时域有限元方法可以准确计算浅海各类非水平海底地形下的地震波场;水中声源所激发海底地震波场包含水中声波、海底界面波、海底纵波、海底横波4个波系;与理想水平海底相比,上坡海底会加速声能量的衰减,且坡度越大,声波远距离传播时向海底泄漏的越多,声能量衰减越大。而下坡海底的波场变化则相反,海底山的存在使得部分声波发生反射及透射到海底的现象,声能量衰减程度增加。

典型深海声场频率-距离干涉结构分析及实验研究

基于射线理论分析了在典型深海情况下声源与接收水听器位于海水表层时声场频率-距离干涉结构,给出了直达声作用区与影区情况下声场频率-距离干涉结构的近似理论表达式。数值仿真与实验结果表明:在直达声作用区内,由直达声与海面一次反射声形成声场干涉结构,频率域干涉周期为该两条声线到达时间差的倒数;在影区内,由声源-海底-接收器、声源-海面-海底-接收器、声源-海底-海面-接收器和声源-海面-海底-海面-接收器四条声线形成声场干涉结构,声强随着频率具有两种干涉周期,分别随着声源深度、接收水听器深度的增大而减小,并与收发距离有关。本文给出的理论表达式可以较好的解释实验观测到的声场频率-距离干涉结构。

建筑构件隔声量智能实验室测量系统的应用研究

针对传统建筑构件隔声量实验室测量方法,研制了基于物联网技术的隔声量智能实验室测量系统。通过引入无线测量方案,减少测量设备的使用,开发智能移动终端测量控制软件,满足建筑构件隔声量自动精准测量的要求,使得隔声测量更加智能和便利。实验测量结果表明:测量设备和测量系统满足JJF 1789—2020《隔声测量室校准规范》和GB/T 19889.3—2005《声学建筑和建筑构件隔声测量第3部分》的要求,可以实现建筑构件隔声量的精准快速测量,提高测量效率约1倍,通过不确定度分析得出隔声量的最佳不确定度为1.0 dB。

空气中声源激发浅海水下声场传播特性的实验研究

为了获得空气中远距离声源激发水下声场的精细结构,2013年3月,声场声信息国家重点实验室在南海海域进行了一次空气中声源激发水下声场的实验。采用汽笛作为空气声源,海底放置水听器作为接收,在实验过程中,发射船由距离水听器2.4 km处行驶至9.8 km。本文对该次实验数据进行分析,获得了收发距离远达9.8 km、频率分别为128 Hz和256 Hz的声传播损失曲线,该曲线随传播距离变化存在清晰的震荡结构.利用波数积分方法计算实验环境下的水下声场理论值,并对获得的声场传播特性进行了较好的物理解释。

粘接件拉伸强度的超声检测实验研究

利用RAM-5000 SNAP超声测试系统,在水池中对穿透环氧树脂粘接件的超声信号的基频波和二次谐波进行测量,二者振幅的重复测量误差分别在1%和3%以下,实验具有较好的可重复性。利用反向传播人工神经网络算法,将穿透样品的超声波的基频波振幅、二次谐波振幅、粘接前样品表面的粗糙度作为输入参量,粘接件的拉伸强度作为输出参量进行训练,并对另一组样本的强度进行了预测,与实际破坏强度相比,平均算术误差为8.3%,这为利用超声方法预测粘接件的拉伸强度提供了一个可能有效的实验方法。

浅海脉冲声传播及信道匹配实验研究

进行了浅海声信道中低频脉冲压缩和信道匹配的理论和实验研究。实验中通过脉冲压缩,实现了超过110 km的高信噪比信号接收,信噪比时间增益与理论分析结果一致;信道实测时间相关半径超过了500 s;信道匹配处理提高了实验脉冲信号检测信噪比(信道匹配增益),基本消除了多途对脉冲信号检测信噪比的影响,且信道匹配增益可以进行理论预报。实验表明,脉冲压缩可有效增加浅海低频声脉冲的传输距离,信道匹配可用于消除多途对脉冲信号检测信噪比的影响。

基于光纤水听器的声场水平相关性研究

中科院声学研究所声场声信息国家重点实验室与长沙国防科技大学合作研制出了一条32阵元的光纤水听器阵,并于2002年8月在渤海进行了一次海上实验。本文利用光纤水听器阵获得的气枪声信号进行了声场的水平相关性分析,并与理论结果进行了比较,实验和理论结果基本符合。

电磁声换能器的辐射声场研究

分析了一种圆环形螺线圈、垂直偏置磁场结构的电磁声探头在非铁磁性介质铝中的辐射声场特性。首先根据电磁感应原理对探头进行了物理和数学建模,将表面力源近似成水平和竖直分布的两种,且水平分量远大于竖直分量,推导出该种力源产生的声场的理论解析解。分别数值计算出了横波和纵波的切向和法向指向性,并和实验结果进行对比。实验结果和理论计算符合较好,为此种结构的电磁声换能器的实际工程应用提供了理论依据。

电磁声实验平台的研制与实验研究

研制了一个多功能的电磁声实验平台,在此实验平台,进行了"减小盲区"、"钢层下多层橡胶层脱粘检测"、"线性调频脉冲压缩"等方面的实验研究。实验结果表明,该平台可精确控制实验参数,提供单一频率脉冲串和线性调频脉冲两种激励波形,具有信噪比高盲区小的优点和线性调频脉冲压缩的功能。将该实验平台应用在钢层与多层橡胶层粘接件的脱粘检测,取得了与压电检测相当的结果。作为一个电磁声方法和技术研究的工具,该实验平台对开展电磁声检测方法和技术研究以及实际检测应用都是有意义的。

斜坡海底条件下声场垂直相关特性研究

利用数值仿真和实验研究分析和总结了不同斜坡海底条件下声场垂直相关性随垂直间隔和传播距离的变化规律,并利用楔形简正波理论对海底倾斜引起的声场垂直相关变化机理进行了解释。研究结果表明,上坡和下坡地形的声场垂直相关性具有很大的差别。与水平海底相比,下坡海底会增加声场垂直相关性,上坡海底会减小声场垂直相关性。有效简正波之间的干涉会使得垂直相关出现震荡现象,上坡和下坡地形将分别使这种震荡半径减小和加大。

南中国海内波特征及其引起的声场起伏

浅海内波场与声场相互作用是ASIAEX 2 0 0 1南中国海实验的主要内容之一 .文中对这次实验所得到的海洋环境和声场数据进行了处理 ,分析了内波的基本特征及其对声传播的影响 .给出了孤子内波的传播速度、方向、幅度等主要特征物理量 .结果表明 :该海域存在孤子内波现象 ,幅度最大可达 14 0m .内波受到半日潮、全日潮和子午潮的调制 .内波主要由低阶模态控制 .分析了内波对不同频率、沿不同路径传播的声信号的总能量、峰值能量以及延迟时间的影响 .

2001南中国海实验温度场与声传播起伏及内潮(波)特征反演

对ASIAEX 2 0 0 1南中国海声场与水体相互作用实验的温度场起伏数据和声传播起伏数据进行了分析 ,结果表明 :(1 )内波引起的质点垂直平均位移的峰峰值超过 4 0m ;(2 )由声脉冲前沿传播时间平均起伏所表征的声传播起伏 ,其峰峰值超过 1 0 0ms .在此基础上 ,对温度场起伏数据进行谱分析 ,得到影响海洋起伏的主要内波分量 ;声传播起伏数据经Burg法谱分析反演得到的内波主要周期 ,与温度场的结果一致 .比较了垂直于大陆架方向和平行于大陆架方向的温度场起伏谱结构 ,以及两个方向的声传播起伏谱结构 ;利用脉冲多途结构和脉冲传播时间分别提取声传播起伏信息的参量 。

慢速地层井孔瞬态声场的数值研究

文献给出了我们用实轴积分法计算的快速地层井孔中点声源产生的瞬态声场在不同时刻的空间分布,包括井内液体中的声波和井外地层中的弹性波.本文则用同样方法计算慢速地层的情况,并将两者结果作了比较.由于我们采用了宽频带、窄脉冲的理想声源,所得声场中各个波都很窄,互不干涉,因而能全面而清晰地反映整个声场的结构和发展过程.文内还介绍了计算中的几个具体问题.

海底沉积物声学特征定量分析及其智能分类研究

海底底质特性描述及分类是当今浅海声学的研究热点,海底沉积物的物理结构特性与其声学响应特征密切相关。在分析海底沉积物声传播特性的基础上,应用现代计算机信号分析技术手段,对海底沉积物声学响应波形提取了4个特征参数:声速、波幅指数、波形关联维分形指数和声波频谱的频率矩。以这4个特征参数作为输入向量,海底沉积物的结构类型作为输出向量,建立径向基概率神经网络模型。研究表明建立的神经网络模型具有较强的海底沉积物分类预报能力。

含偏心点声源的随钻测井声场模拟和地层各向异性反演研究

地层横波波速测量以及各向异性评价是目前随钻声波测井应用及方法研究的难题之一.针对这些问题,本文试图从钻铤上的偏心点声源在各向异性地层中的响应出发,寻求和探讨解决方案.我们基于三维有限差分模拟的随钻测井信号,研究了偏心点声源在水平横向各向同性(HTI)慢速地层井孔中激发声波传播规律,研究结果表明:在HTI地层中偏心点声源能够同时激发出快、慢两种波形,并且此两种波形中主要分别包含快、慢弯曲波,由于与钻铤波的耦合作用,其速度总是分别小于地层快、慢横波波速,所以无法直接用于地层横波波速的测量.但根据进一步的灵敏度分析可知当在3kHz以上时,它们的相速度分别对地层参数水平和垂直剪切模量(c66和c44)最为敏感.基于此特性,本文提出一种基于解析近似解的最小二乘拟合法,能够通过快、慢波频散曲线反演地层横波波速,所测值误差小于3%,并且具有很好的容错率和稳定性;进而由横波速度反演值评价地层各向异性大小.最后,地层快横波偏振方位可以利用垂直于偏心声源方向的偶极采集的信号能量变化曲线来获取.

深海近距离声场频率-距离干涉结构反演海底声学参数

地声反演一般存在多解性的问题,不易有效分离沉积层声速与厚度,本文提出了一种当声源与接收水听器分别位于海面与海底附近时匹配声场干涉周期反演深海沉积层声速与厚度的方法。该声场周期结构由直达波与海底沉积层反射回波干涉形成,其干涉周期受沉积层声速和厚度影响,通过匹配实测与理论计算的声场干涉周期可有效反演沉积层声速和厚度。开展了深海实验验证,利用水听器接收到的近距离船舶噪声的声场干涉条纹,反演得到的实验海域海底沉积层声速与该海域海底表层采样平均值差小于20 m/s。数值仿真与实验结果表明该方法可以有效反演沉积层的声速与厚度。