近场声全息技术应用有关物理问题研究

近场声全息(NAH)技术,用于大型结构或水声基阵性能参数测量、校准,要有一套高精度声场全息扫描测量接收基阵及同步测量和控制系统装置,以及适应的处理、分析、计算软件。研究实践表明：有关这套测控、分析系统硬、软件的设计指标、参数和使用要求,都涉及一些声学物理问题。为确保全息场量值测量可靠、场重建精度高,对声源的辐射声信号波数谱和近场声压分布,进行了必要的物理分析、计算。得到要保留的高波数分量、全息面的形式和尺度及其离声源的间距、全息面上测点间距等诸参数,与声源形状、尺度、频率等量之间定量关系并给出要求、判据的参考。

双水听器水声声强测量系统的误差分析和校准

基于双水听器互谱测量法，研制的水声声强测量设备可用于测量水下声源产生的声场中任意点的声强量值或任意面上的声强量值分布。根据双水听器测量声强法原理进行了误差分析，提出了该双水听器声强测量系统的校准方法。对系统测量水声声强量值的不确定度进行了估计并进行了实验验证。验证表明，理论分析评定与实测结果一致。

水下噪声及其控制技术进展和展望

本文主要介绍近年来船舶行业水下噪声研究进展概况。包括水下噪声形成机理和预报；水下噪声控制技术；水下噪声近代测量分析技术。并提出对水下噪声研究工作的展望。

声学逆问题——声全息场变换技术及源特性判别

物理学中场的逆问题无论在理论上还是应用上都具有重要意义。本文着重概述基于全息场空间变换技术的发展;介绍了我单位在水声领域中全息场变换、声场重现方面理论和实验研究工作的进展,特别是关于利用BEM边界元方法对于任意形状源面和全息测量面的声场逆变换理论和方法;关于任意非共形面场的逆变换及其误差计算分析;关于宽频信号声场非共形面全息变换及其误差分析;关于声场全息场逆变换的应用等,并提出进一步研究方向。

实船设备结构振动和水声声强测试分析及噪声源的判别

通过对船上设备和船体的振动、近远场水噪声声压以及主机舱左舷外水声声强分布的测量和对振动与声的相干分析 ,判断主、辅机激振的耦合对产生声的影响。通过近场声强分布 ,分析结构和声场耦合、能量交换和有效辐射。提出用声强分布计算频带内噪声辐射声功率占总声功率的比例 ,结合主、辅机振动谱综合分析方法 。

声全息测量基阵的设计与研制

对用于近场声全息 (NAH)技术、测量大型声呐发射阵近场全息声压分布的线型水听器基阵 ,进行设计、研制 .全息测量阵设计和研制的关键问题是它应能得到声场中复数声压 (振幅和相位差 )的真实数据、给出场中正确的声压全息面 .本文估算了所设计结构的支撑架和水听器基座声散射对阵上水听器测量全息声压的影响 ;分析对基阵结构的加工工艺要求和提出如何实现这些要求的措施 .实验结果表明设计的这套四分之一小型水声扫描线阵的阵元测量数据可靠 ,适用于大型声呐基阵NAH技术 .并为大型全息测量线阵设计提供基础 .

利用线阵估计湍流边界层起伏压力模型参数

湍流边界层起伏压力模型是预报水听器阵流噪声及流激水下结构振动和声辐射的基础,但湍流边界层起伏压力模型(如Corcos模型)都为经验模型,含有多个需要试验确定的待定参数,其中包括点功率谱密度与迁移速度.在此利用一条20元小阵元(6mm)密排线阵在水洞中的测量数据估计湍流边界层起伏压力的波数频率谱,通过估计迁移峰谱密度级估计湍流边界层起伏压力的点功率谱密度级,利用高分辨率波数谱估计方法估计迁移波数并计算迁移速度.与利用单个水听器测量点功率谱密度及利用两个水听器相关时延测量迁移速度的方法相比,本文采用的方法在波数域分离了迁移峰和低波数的背景干扰,提高了置信度.数据分析结果表明,水洞中湍流边界层起伏压力的归一化迁移速度为0 75±0 05,点功率谱密度随流速的4～6次方增长.

近场声全息方法研究目标散射场

将ＮＡＨ方法应用于散射问题研究，由散射体近场全息图面上的复声压数据重建散射体表面的散射场，并进一步预报远场散射声指向性对于平面波入射下刚硬球的散射情况作了数值模拟，模拟结果与理论计算吻合较好。

简支矩形多层板振动的三维分析

给出了一种分析简支矩形多层板的三维振动的方法．这种方法利用板的任意层振动方程的通解和转移矩阵方法来求解简支矩形多层板的振动．文中通过一个二层板算例叙述了用该方法分析多层板振动的步骤，计算了该板的本征频率，并和薄板理论、有限元方法的计算结果进行了比较．

湍流边界层起伏压力谱和聚偏氟二乙烯薄膜(PVDF)水听器响应的实验研究

利用一个 φ８ ｍｍ水听器和一个 ２０元阵在水洞中测量了湍流边界层起伏压力的点功率谱密度和波数频率谱密度。点功率谱密度测量结果的无量纲表示和 Ｂｕｌｌ Ｍ． Ｋ．等人风洞中的测量结果相吻合。波数频率谱的测量结果中能清楚地看到迁移峰，从而可进一步从迁移峰所在的位置求得迁移速度。同时还测量了一个接收面积为 １００ ｍｍ×６０ ｍｍ的 ＰＶＤＦ水听器对湍流边界层压力起伏的响应谱，将其结果和 φ８ ｍｍ水听器测量结果的对比，可以清楚看到 ＰＶＤＦ水听器对湍流边界层压力起伏的空间滤波作用。

水中圆柱腔流激振荡特性研究

在水洞中进行了水中圆柱形腔流激振荡的研究，水洞中的试验结果与空气中的结果进行了对比，得到了圆柱形腔在空气和水两种介质中流激振荡特性的共同点和差别。文中还根据腔底多层结构计算了腔底反射系数，然后导出水中多层腔底结构腔内的驻波共振频率计算关系式，并由此提出了用于计算任意弹性底圆柱腔驻波共振频率的图解算法及具有广泛意义的图解图，算得的驻波共振频率与试验值比较接近。还进行了流引起腔中流噪声的均方压力随流速变化的测量和分析工作，给出了均方根压力随流速变化的关系。

圆柱形腔流激振荡及其耦合共振的研究

本文研究了低流速范围内突出式和陷落式圆柱形腔的流激自持振荡和驻波共振问题。根据大量实验数据，归纳出了适合于低流速情况陷落式和突出式腔的流体动力振荡频率公式，理论上考虑腔口辐射阻抗得到了圆柱腔的驻波共振频率公式，其理论值与试验值符合很好。着重研究了两种振荡的耦合共振，根据本文得出的两种振荡的频率公式，给出了圆柱形腔满足耦合共振条件时腔深和流速之间的关系，实测值与计算值符合很好。

突出腔的流激振荡激励源

在水洞中进行了突出式腔与陷落式腔的流场观测实验，对比分析突出式腔与陷落式腔的流场特点表明，陷落式腔的流激振荡模型不能直接应用于突出式腔，必须作修正；文中从基本方程出发，定性地讨论了引起突出式腔的流激振荡激励源，提出了一可能的修正方向．最后用格林函数给出了腔的辐射声压表达式．

陷落腔的流场数值计算研究

本文对有限分析解法的近似计算方法及其对计算精度的影响进行了数值计算和分析讨论；然后采用有限分析解法，对前、后壁缘高度不同的三种腔内流场运动发展过程及腔口剪切层运动情况作了数值计算，得到的腔口剪切层上腔口随边相互作用情况与对应腔的流场显示实验结果进行了比较，两者一致；计算结果表明，采用本文发展的近似方法计算可靠。

风洞壁面上圆柱腔流激振荡和声辐射的研究

本文研究讨论了闭口式风洞壁面上刚硬圆柱腔中气体在风洞中气流作用下产生的振荡和声辐射.实验测量了不同直径和不同深度腔的振荡谐振频率、腔底振荡压力和辐射声声压,实测流体动力振荡频率与Rossiter的矩形腔剪切层自持振荡频率相近,腔的流激驻波共振频率值与理论计算值比较一致.

水下非均匀复合层结构吸声的理论研究

本文对水下非均匀阻尼板与多层介质组成的吸声结构进行了研究．基于非均匀波导理论，导出非均匀钻孔阻尼层的传递矩阵及多层结构表面反声、吸声系数．对任意非均匀层，提出分层近似求传递矩阵的方法．数值计算研究了结构反声、吸声性能及其随各参数的变化．

水下均匀材料复合层吸声特性研究

本文对水下阻尼板和其它介质层复合的多层吸声结构吸声、反声性能进行了研究．利用各层界面压力、振速的四端网络矩阵及层间边界条件导出吸声结构表面阻抗和反射系数随频率的变化关系；数值计算分析了不同边界条件、多种层以及改变各层参数情况，反声、吸声系数的变化．发现多层结构中厚的水层引起强烈的共振反射峰．并提出了抑制共振反射的方法．

水流引起突出流线型柱腔共振的实验研究

在我国梅山水库试验水洞中,进行了流线型柱形腔的流激振荡实验研究.记录了不同流速情况下,腔中和腔土方的水听器输出噪声信号,同时记录了水洞试验段不同部位和腔壁上的加速度计输出振动信号.经过分析,发现突出试验段壁上的流线型腔与突出的矩形腔在气流中被激振荡相似,存在着其频率与流速无关的腔中液体声共振谱峰;同时,还发现其频率值与流速值成正比变化的流体动力共振谱峰.文章给出长140mm、宽28mm的流线型柱腔在腔深60mm和40mm两种情况下,其水流速度3～15m/s时,均方压力谱密度特征;给出前三阶液腔共振谱峰和前四阶流体动力共振谱峰的频率和谱级随流速变化的关系.

流激励下腔口导边处集结涡脱出的数值模拟

各类腔型结构的流激振荡机理与声辐射是多年来许多学者研究并试图治理的一类噪声问题。Rossiter 提出腔口导边集结涡激发流体的自持振荡的模型。但 Heller 等人采用水台显示和纹影技术研究时没有发现导边处有如 Rossiter 所假说的集结涡脱出现象,从而对 Rossiter 的激励模型提出了疑问。本文用改进的有限分析解法,数值计算证实在一定条件下腔口导边有集结涡脱出现象。指出了Rossiter 和 Heller 的结果不一致的可能原因。文中还讨论了角点边界条件的处理等问题。

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。