浅海质点振速场强度的深度分布特性

质点振速场强度的深度分布特性对水声探测与估计具有重要影响.基于简正波非相干模态和变换到角度积分的近似条件,推导出质点振速的非相干简正波的角度积分形式,避免了本征值和本征函数的复杂计算,并揭示了质点振速强度在声源深度及对称深度具有显著变化特性的物理机理.数值结果表明:非相干质点振速的角度积分解析式可实现快速计算,并可较好地表征出质点振速强度的深度分布特性;同时,由于简正波模态幅度函数的叠加效应,垂直质点振速与水平质点振速的深度分布存在显著差异性;随后,以质点振速强度差为研究对象,分析了水平距离、声源频率、声速剖面及海水深度等参数对质点振速场强度的深度分布特性的影响.相关结论可为基于矢量场的被动目标深度估计提供理论依据.

水平分层低马赫数运动介质中的声传播

针对海流对水声传播的影响,基于高斯波束追踪方法,利用高频近似的低马赫数亥姆霍兹方程,建立了三维低马赫数运动介质下的声传播模型,并将该模型应用于浅海与深海水平分层介质下的声传播问题。仿真结果表明,海流能定性定量地改变声传播模式。浅海环境下,声速梯度大于流速梯度,导致顺逆流声线反转点的差别随着距离增加而增大;此外声线到达结构也会发生较大改变。深海环境下,流速梯度大于声速梯度,顺流方向表面声道消失,使得表层顺逆流传播损失相差10 dB以上,同时水平分层环境中也会产生三维声传播效应。因此在流速梯度与声速梯度相当甚至更大时,海流对声传播的影响不能被忽略。

新型氮化铝MEMS声压传感器技术

为了解决水下声学传感器技术领域中一直存在的提高低频响应灵敏度方面的迫切需求,本文利用氮化铝新型氮化铝敏感材料与声传感器设计技术相结合进行了声学传感器设计技术研究。开展了基于MEMS微结构的弯曲振动声敏感模式、力敏特性与压电敏感特性耦合、电荷信号提取电极设计等相关技术验证研究,完成了氮化铝MEMS声传感器测试芯片的工艺与版图设计及加工与制作。通过样品测试分析,在典型检测电极上分别得到了0.61、1.12、1.64μV/Pa的单电极声压灵敏度和平坦的低频频率响应曲线,验证了基于ALN薄膜、采用弯曲振动模式的MEMS声敏感芯片设计可以实现低频高灵敏度声传感器。

深海三维海底山地形对甚低频声场的影响

复杂海域海底地形的变化对海洋声传播有着重要影响,研究海底山和弹性海底共同作用下的声传播特性可以为水声技术提供理论基础。本文利用三维谱元法进行声传播数值模拟,从多途结构、界面波传播特性、三维效应等方面分析了该复杂海洋环境下的甚低频声场特性。仿真结果表明:海底山地形变化会引起传播过程中声信号的耦合转化从而激发深海海底界面波;影区内海底界面波相对能量最强,随着与界面距离的增加,界面波幅度呈指数衰减,而其他途径信号在一个波长内幅度几乎不变;海底山环境下的声传播会产生复杂的三维水平折射与散射现象,随着接收深度的增加地形变化引起的水平多途会逐渐增加。

声衍射相移对深海会聚区焦散结构的影响

本文从射线-简正波理论出发,推导了计及衍射相移时声线跨距、传播时延与群速度的表达式,在此基础上给出了一种包含衍射相移影响的深海会聚区焦散结构计算模型.对典型深海声道中第一个上会聚区的仿真研究表明:高频条件下纯折射(refracted-refracted,RR)型会聚区有3条焦散线,海面反射(refracted surfacereflected,RSR)型会聚区有4条焦散线.通过与高频结果对比,低频条件下计及衍射相移后发现,界面反射相移引起的水平位移使RR型焦散线向靠近声源的方向水平偏移,使RSR型声线额外多产生数条焦散线,而声波以非均匀波形式传播时产生的位移使RR型焦散线向远离声源的方向水平偏移.频率升高后,声衍射效应减小,焦散结构趋于经典射线理论的计算结果.本文给出的模型物理意义清晰,计算简便准确,弥补了经典射线理论在低频条件下适用性不强的缺陷.

基于氮化铝薄膜的新型MEMS振动传感器

为验证氮化铝薄膜在传感器设计技术方面具有独特的优势,以振动传感器为例开展氮化铝薄膜MEMS振动传感器设计与试验研究,通过在不同敏感位置设计制作不同的电极开展比对测试试验研究工作。在振动台上对设计有多种测试电极的芯片样品进行比对标定测试,验证了氮化铝薄膜MEMS振动传感器可以获得很好的灵敏度特性和频率响应特性;4个Y电极灵敏度响应一致性很好,并可分辨出不同应力分布区域灵敏度响应上的差别;4个X电极同样获得较好的灵敏度频率响应,但由于电极设计与Y电极存在差异,因此响应有所不同,X电极由于面积更小,分布电容的影响不容忽视。