基于组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化

在水下目标定位中,布站构型的共面约束会导致目标单点定位的几何精度因子(GDOP)理论最小值不能达到。为改善水下布站的观测矩阵,将单圆锥扩展为组合圆锥构型布站模式。然而,传统的优化算法易陷入局部最优且存在收敛效率低等问题。针对以上问题,提出了一种改进的自适应粒子群算法。首先提出了一种有共面约束的水下声学定位系统组合圆锥构型,并证明了所提出的组合圆锥构型具有可叠加性、可旋转性以及GDOP旋转不变性;其次,针对布站优化指标单一的问题,构建了一种基于水下目标全局GDOP的布站优化准则;在此基础上提出了一种基于自适应粒子群的优化算法,并应用于组合圆锥构型下的水下声学定位系统布站优化。所提出的自适应粒子群算法能增强布站的全局最优性,提高算法收敛效率和水下目标的定位精度。

VTI介质修正声学近似qP波波动方程与模拟

各向异性介质中纵横波通常耦合在一起传播,纵横波解耦是地震波传播理论研究的重要内容。经典的声学近似通过设置垂向qSV波速度V_(S0)为0来解耦qP波场,但是存在退化qSV波等问题。本研究将垂向qSV波速度V_(S0)考虑成波数k_(x)、k_(z)和各向异性参数ε、δ的函数,对声学近似进行修正,推导了VTI介质修正声学近似qP波频散关系和波动方程。VTI介质修正声学近似qP波波动方程包含椭圆项和非椭圆项两部分,因此采用混合有限差分/伪谱算法进行求解,即采用有限差分法求解椭圆项、伪谱法求解非椭圆项。频散关系分析和数值示例表明,基于修正声学近似的qP波波动方程不包含退化qSV波,是纯qP波方程,与弹性波方程模拟结果吻合较好,且具有较高精度;该方程在ε≥δ和ε<δ的VTI介质中均是稳定的,并且精度高于声学近似模拟结果。

高温声学检测技术的发展、应用与挑战

以我国航空航天、钢铁冶金、特种设备等领域的高温声学无损检测技术研究与应用为主线,分析了高温声学检测技术在促进先进高温材料制备与研发、钢铁冶金行业绿色低碳生产和产业升级、高温压力管道安全运行与维护等方面的巨大需求。介绍了国内外在高温声学检测的技术方法和仪器研制等方面取得的进展,分析了压电超声、电磁超声、激光超声、激光电磁超声等技术在高温无损检测应用方面存在的优缺点和应用场景,总结了高温声学检测技术面临的机遇与挑战。

木质材料对室内声学调控的研究进展

木材为多孔性材料,在室内空间中,使用木质材料除了具有饰面作用外,还可以有效吸收声能,控制室内混响时间,改善音质,提高语言清晰度。本文概述了木质材料的吸声和隔声性能两方面的研究现状,并对未来的研究提出了建议。在此基础之上,总结了前人在大型建筑空间、小型办公空间、家居室内空间中声环境调控的不足之处。主要有以下3点:1)研究者多选取某一特定的室内空间类型进行声环境改善,尚缺乏对不同使用功能的室内空间声环境的规律性研究,以形成较为系统的室内声环境调控体系。2)成片的家具几何结构改变室内声环境的程度有待进一步研究验证。3)对于改变空间的形状、比例、布局的方法有待进一步研究其内在规律,为设计师、建筑师和科研人员提供参考依据。未来研究重点包括:1)通过使用木质材料对空间进行合理化布局与设计;2)处理好不均匀的声频或室内声场驻波的简并现象,需合理选择吸声构件。3)建立智能化声学仿真模型。

基于跨语种声学分析的帕金森病检测方法

基于语音的帕金森病检测具有非介入式、成本较低和无创等优点。当前公开的帕金森病语音数据集大多来源于单一语种,存在数据容量不够大、受试者母语发音特点差异小等特点。单一语种数据集上训练的帕金森病检测模型在面对跨语种语音数据时,将出现性能下降。为避免语种差异带来的影响,提升模型在跨语种场景下的检测性能,该文引入对抗迁移学习和特征解耦的思想,提出一种帕金森病跨语种声学分析模型(CLSAM)。首先,将基于多头自注意力机制的Transformer编码块和多层神经网络级联,组成特征提取器模块,用于将从源域和目标域语音中提取的原始Fbank语音特征初步解耦为两个向量,即域不变病理信息表征向量和域信息表征向量;设计了目标任务不一致的双重对抗训练模块,显式地分离域不变病理信息和域信息;最终,提取跨语种语音数据中的域不变病理信息用于帕金森病检测。该文在公开的MaxLittle帕金森病语音数据集以及自采的帕金森病语音数据集上,采用十折交叉验证的方法验证了所提方法的有效性。实验结果表明:与传统机器学习方法以及现有的迁移学习算法相比,所提模型在跨语种场景中的检测准确率、敏感度和F1分数等性能均有明显提升。

带消声功能的潜艇换热器声学性能仿真

针对潜艇消声问题,提出一种带消声功能的换热器,开展环状橡胶气囊结构消声性能研究。建立仿真模型和进行传递损失计算,证明有囊式消声器的消声效果。利用控制变量法定量改变设计参数,分别研究气腔长度、穿孔直径和穿孔率对气囊消声效果的影响规律,为潜艇换热器的流动噪声控制提供有力支撑。

声学双曲构型超材料的负折射特性研究

声学双曲超材料是具有双曲色散特性的人工材料,具有极强的各向异性,其负折射特性是研究实现高分辨率聚焦型超透镜的理论依据。针对远场噪声源识别受制于0.5倍波长声波瑞利衍射识别分辨率问题,结合声学超材料对声波的优异调控效果,引进可以实现亚波长超分辨率成像的双曲超材料,利用其负折射特性设计了一种用于工作频率为2 271.5 Hz的声学双曲结构。分析了该构型的双曲结构色散特性及负折射特性,结果表明声波在该双曲超材料中传播的群速度方向垂直于波矢,并沿着色散曲线的法线方向。本文的研究为实现对声波和弹性波的任意调控,以及噪声源的聚焦定位、识别放大等提供了一定的设计参考。

基于声学FEM-BEM的户内变电站噪声场计算

准确计算户内变电站大型、复杂的噪声场分布,进而评价可采用降噪措施的减噪效果,是解决户内变电站噪声污染的关键问题。为此,综合声学有限元法(finite element method,FEM)求解复杂声场收敛性好及精度高的优点,及声学边界元法(boundary element method,BEM)降维求解大型声场的优势,提出了一种基于声学FEM-BEM的户内变电站噪声场求解算法。首先,建立变电站内部声源声固耦合模型,采用声学FEM求解混响噪声作用下的声固耦合响应;然后,基于声学FEM-BEM耦合理论,求解内、外耦合边界处结构单元受声固耦合激励产生的位移及应力载荷;最后,根据声压及应力载荷激发的外场声波扩散模型,基于常规Gauss数值积分法,建立外部空间声域2维BEM声学积分方程,求解外部声场。该算法在湖南某110 kV户内变电站噪声场的求解分析中得到了成功应用,与实测值的相对误差为3.61%~4.87%。

声学四极子拓扑绝缘体中的反常手征边界态

基于量子系统的物理概念在经典的声波体系中构造拓扑态是声学研究最前沿的方向之一。然而对于四极子拓扑绝缘体这一物理模型,已有的研究结果往往只关注能量局域在角上的角模式,而忽略了沿边界传输的边界态。该研究利用超材料单元在声波体系中实现了四极子拓扑绝缘体,通过分析构造的声人工周期单元的拓扑性质,沿特定的路径切割声学超材料晶体实现了反常手征边界态,并进一步构建了一系列支持边界态传输的声学器件。利用有限元仿真软件计算的结果表明该手征边界态在空间上有较好的局域性,对于尖锐的转角和几何缺陷亦具有免疫性。该研究提出的反常手征边界态及相关的输运器件有望应用于空间声场操纵、声学通信、减振降噪等领域。

二维声学黑洞应用于压电振动能量收集

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应可以产生强烈的能量集中,能够将高频率低振幅的低品质振动能量转化为高振幅的高品质振动能量,从而便于利用。提出并研究了一种环形二维声学黑洞压电能量收集装置。有限元分析结果表明,环形二维ABH结构能在宽频域内显著提高能量收集效率。搭建了环形二维声学黑洞压电能量收集器试验测试平台,通过试验验证了仿真结果的正确性。与经典二维ABH结构相比,环形二维ABH结构具有更好的能量收集效率和结构强度。分析了压电片几何尺寸等因素对装置能量收集效率的影响,得到了能获得较高输出功率的几何尺寸范围,并进行了正交试验设计,研究了截断厚度、压电片尺寸、中央平台直径、幂指数等多因素的综合影响。

VTI介质改进声学近似qP波交错网格正演模拟

Alkhalifah提出的声学假设近似令沿TI介质对称轴的qSV波速度近似为0,建立了相应的qP波波动方程并进行了数值模拟,但存在两个不足:一是方程中存在退化的qSV波解,不是纯qP波波动方程;二是方程不适用于ε<δ(ε和δ为Thomsen参数)的介质。为此,在Liang等的工作基础上,将改进声学近似方法的思想引入qP波频散关系和一阶波动方程推导。令qSV波的精确频散关系中的圆频率为0,同时结合椭圆分解,推导了VTI介质纯qP波解耦频散关系,利用改进标量算子的空间域渐近近似建立了VTI介质改进声学近似qP波一阶速度—应力波动方程,采用交错网格有限差分算法实现了基于改进声学近似的VTI介质纯qP波正演模拟。频散关系分析和数值示例表明,基于改进声学近似的qP波一阶波动方程不包含退化qSV波,是纯qP波方程,与弹性波波动方程模拟结果吻合较好,具有较高精度,并且该方程在ε≥δ和ε<δ的VTI介质中均是稳定的,同时也适用于复杂VTI介质。

水下声学超表面异常折射方向调控研究

针对波束调控的问题,本文提出了一种控制波前相位的声学超表面。本文依据广义斯奈尔定律,利用不同声速的均匀介质构建了水中多频声学超表面模型,给出声学超表面产生异常声折射的基本原理,验证了声学超表面在多个频点下可以实现异常声折射现象,揭示了频率以及声波入射角对声学超表面异常折射现象的影响规律,制备了声学超表面实物在水箱中对理论结果进行验证。结果表明:在入射波频率为基频的整数倍时,超表面模型可以实现折射角相同的异常折射现象,并且入射角在一定范围内可以实现负折射现象。实验测量了水中钢板和超表面的折射情况,相较于均匀介质,在不同入射角度下设计的超表面均可以实现异常折射,并且测量值与理论值吻合较好。

基于OAM复用信号高效调制解调的声学超表面

轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)复用是提高声学通信系统数据容量的一种潜在解决方案,提出一种利用声学超表面对OAM复用信号进行调制和解调的方法,利用该方法对独立声轨道角动量(Acoustic Orbital Angular Momentum,AOAM)信号的幅度和相位进行分析,并通过仿真实现对AOAM信号的调制和解调.AOAM信号的相位和幅度提供正交自由度,通过设计合适的声学超表面并将其与二进制差分相位编码技术相结合,证明其可以实现AOAM复用信号的有效调制和解调.正交声学螺旋模态可防止模式耦合和串扰,从而增强声学多路复用.基于谐振的结构提供信号频率选择性,提高了交互效率,简化了终端设备,便于实现大容量声学通信系统的创建.

压电复合材料梯度分布声学特性研究

目前,压电复合材料在吸声降噪领域应用广泛,但其低频吸声性能并不理想。为解决此问题,以0-3型压电复合材料为研究对象,提出使压电陶瓷体积含量呈梯度分布以提高其低频吸声系数的方法。首先,基于声电类比法和传递矩阵法,推导多梯度分布的理论公式,并通过文献构型对其进行验证;其次,将均匀分布与梯度分布的吸声系数进行比较,发现梯度分布会改变材料的声阻抗,从而改变吸声系数。最后,进行梯度分布压电复合材料数值分析,结果表明,同等条件下,当压电陶瓷体积含量呈梯度递减,且梯度差和第一梯度的厚度增加时,可明显提高低频吸声系数。

分子筛型声学增强材料的储存耐候性能

研究了湿度和有机物小分子等储存耐候条件对声学增强材料谐振频率偏移值的影响,探讨了由不同硅铝比分子筛组成的声学增强材料在不同湿度及有机物小分子气氛中储存后的谐振频率及偏移值的变化规律.研究结果表明,由既定硅铝比分子筛组成的声学增强材料在25℃/50%相对湿度(RH)和25℃/95%RH条件下储存后,其谐振频率偏移值未发生明显变化.氮气吸附实验结果表明,25℃下氮气分子占据了较少的比表面积,水分子的存在不影响声学增强材料对氮气分子的吸附.在25℃/50%RH条件下放置后,声学增强材料在25℃/95%RH条件下吸附的水分子会逐渐脱附.声学增强材料在不同种类有机物小分子气氛中储存后,其谐振频率偏移值呈不同的变化趋势.对于尺寸较小的有机物小分子,由于存在可逆吸附,声学增强材料的谐振频率偏移值未有明显变化;对于尺寸较大或具有小尺寸端基基团的有机物小分子,由于存在嵌入式吸附,声学增强材料的谐振频率偏移值明显降低.

利用时域叠加的声学成像法定位埋地PE管道

针对现有埋地管道探测技术难以确定聚乙烯(PE)管道埋深且通常对管线走向的探测误差较大的问题,提出了优化的时域叠加声学成像法。利用该方法对仿真信号进行直达波与表面波消除、反射波提取和成像定位处理,验证了方法的可行性。最后,对埋深0.4 m和1.0 m的PE管进行定位测试实验,最大管线平面定位误差分别为0.179 m和0.240 m,说明该方法基本满足较好埋地条件PE管道探测的需求。

变截面消声管道耦合Helmholtz腔结构的声学性能

基于局域共振理论与管道消声理论,设计了一种变截面消声管道耦合Helmholtz谐振腔的声学超材料结构,并运用COMSOL软件进行仿真研究.在此基础上,探讨了变截面声学超材料结构的几何参数对吸声系数峰值的影响,运用声学试验测试了该声学超材料结构的声学性能.结果表明:该变截面声学超材料结构在低频范围(200~600 Hz)内可实现良好的吸声效果;通过改变管道小孔的截面半径,可以实现声学超材料结构固有频率的定向调节;与普通Helmholtz腔相比,该声学超材料结构的吸声系数峰可在一定低频范围内移动,提高了结构在低频范围内的吸声效果,拓宽了吸声系数峰值对应频率的范围;声学超材料结构的几何参数得到了优化,具有良好的吸声效果.

融合动态场景感知和注意力机制的声学回声消除算法

在实时语音频通话系统中,如何去除声学回声得到清晰语音是目前最受关注的难题之一。声学回声消除(Acoustic echo cancellation,AEC)技术旨在消除语音频通话系统中的声学回声,提高通话过程中的语音质量,给予用户良好的通话体验,但是传统回声消除系统存在去回声效果不明显、存在非线性回声残留以及无法实时处理回声等问题。因此,为解决上述存在问题,提出了一种动态场景感知模块(Dynamic scene perception module,DSPM)和全局注意力机制(Global attention mechanism,GAM)相结合的声学回声消除算法。该算法以卷积循环网络(Convolutional recurrent network,CRN)作为基线模型,提取语音信号的序列特征;首先,在其编码器中引入DSPM模块替换原因果卷积,根据场景动态分配卷积内核数量,加强模型的自适应性;其次,在编码器最后两层中分别引入GAM模块,放大空间通道间关系以及统筹全局交互,提升对语音信号特征的提取能力以及消除回声的性能;最后,通过将MSE损失函数和HuberLoss损失函数线性相加生成一种新的损失函数——MSE-HuberLoss,进一步提高模型的鲁棒性。实验结果表明,提出的GAM-DSPM-CRN模型的回声消除性能优秀,且获得较基线模型更加清晰的重构语音信号;在双端通话环境下,提出的GAM-DSPM-CRN模型声学回声消除算法较其他对比算法性能有较大提升;在Microsoft AEC Challenges数据集上,MOS、ERLE和STOI的得分分别达到了4.09、57.43和0.78。

基于改进声学有限元法的主变压器室噪声场计算

传统声学有限元法(finite element method,FEM)难以准确表征温升效应引起的主变室大空间空气介质参数变化,导致温度场-声场耦合作用下变电站主变压器室噪声场计算误差过大。在声学FEM算法基础上,引入计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD),提取大空间主变室的复杂空间介质参量,并对波动积分方程进行改进,提出一种基于改进声学FEM的主变室内噪声场求解算法。首先,建立温度场影响下的主变室流变模型,采用CFD表征主变室大空间温度场离散空间介质参量;然后,基于流-声网格映射理论,将温度场离散空间介质参量与声音网格进行映射,建立修正大空间空气介质参数后的声学FEM积分方程;最后,基于常规Gauss数值积分法和引入Kirchhoff-Helmholtz方程,对修正声学FEM积分方程进行联合求解。该算法在西安110 kV昌明变电站1号主变室噪声场的求解分析中得到了成功应用,与实测值误差为2.168%。

声学探测技术在海上风电桩基检测中的应用

海上风机维护是保障海上风电场正常运行的重要工作,水声学海底探测方法在海上风电场运维中的应用越来越广泛。提出在风电桩基检测中综合使用多波束测深仪、侧扫声纳、浅地层剖面仪的联合探测作业技术,利用多波束获取全覆盖水深地形,利用侧扫声纳获取海底地貌,利用浅地层剖面仪获取海缆埋藏状态,通过对3类声纳数据综合分析,确定风电桩基及附近地形、地貌、电缆等的位置、深度、状态等信息。将该方法应用于阳江风电场故障风机抢修项目中,验证了方法的有效性。实践表明:该方法可以广泛应用于海上风电桩基检测等海洋工程领域,对其他海上风电场桩基检测有一定借鉴意义。