界面参数估计及传播损失的射线声学预报

利用射线声学建立的海洋信道模型，根据给定海区声传播实验的实测数据，反演得到界面声学参数，并进行声传播损失预报。预报结果与实验数据比较表明，信道模型正确，界面参数选取与估计方法合理，传播损失预报性能良好。

射线声学法在会聚区调查中的应用研究

会聚区调查是海洋声传播损失调查的一项重要内容,在调查前大致了解海区中的会聚区分布情况,将给会聚区调查带来极大的便利。针对深海会聚区调查,提出了一种利用射线声学法对会聚区进行预估,从而大大提高了工作效率,降低了调查成本,保证了调查数据的质量。

水下声学导航网络节点区域最优布局方法

为实现水下声学导航网络节点满足区域定位精度需求,同时满足节点布局数量及费效比最优,提出了一种水下声学导航网络节点最优布局方法。根据节点布局间距和定位误差关系,选定满足定位精度需求的最大节点布局间距,采用2D网格生成算法控制节点间距在最大间距,以实现导航网络节点的自动化最优布局。考虑海底地形遮挡声源情况,利用地形开角与临界开角和小开角临界值的对比,快速确定区域布局风险区并在2D网格生成算法中设置不可布局区域,进一步优化实际海底地形导航网络节点布局。通过某实际海域导航网络区域布局的仿真实验验证,所提方法可实现100 m定位误差的预期设计需求,并满足布局节点数量最优。

近底悬浮弹性球声散射机理分析

基于二维周向分解方法进行了总场非轴对称背景下近底目标三维散射声场的数值快速计算,研究了近底悬浮弹性球目标声散射机理。根据海底及目标耦合四路径模型的射线声学叠加原理,给出了近底轴对称目标的二维有限元模型散射远场声压计算表达式。计算得到因界面引入的附加回波共同作用下的弹性球体目标散射频率−角度谱和频率−高度谱,给出了耦合散射声场明暗交替干涉条纹的精确预报公式。通过数值计算及实验分析了目标在掠射角和悬浮高度变化时目标镜反射、弹性目标体内激发的弹性波与海底反射波相互耦合的传播规律及其对总场的影响,讨论了因悬浮高度和掠射角变化产生的目标散射声场强度起伏机理。结果表明,增大掠射角和悬浮高度均会使目标频谱相邻共振峰峰值间距减小,并且利用海底与目标耦合作用声场的干涉条纹计算公式可以较好地对目标散射频谱信息进行预报。

三维复杂温度场高精度声学测量方法

声学温度场检测技术通过多路径声波传播时间数据,反演被测区域的温度分布。提供了一种高精度的三维复杂温度场的声学测量方法。首先从射线声学角度给出了三维非均匀温度场中声波传播路径的数学模型。在此基础上,将三维温度场的重建问题转化为声波传播路径的求解和温度场的反演问题,建立了基于多项式修正径向基函数(RBF-PR)和改进的Tikhonov正则化三维温度场重建算法。采用两种典型的炉膛三维温度场模型,在信噪比SNR=35dB下进行了数值模拟,分析了声波传播路径在非均匀温度场中的弯曲特性、算法的重建质量和抗噪性,同时进行了实际炉膛内二维温度场的重建。结果表明了提出的考虑声线弯曲的温度场重建算法具有精度高,抗噪性强、适用性好的特点,为实现高精度的复杂温度场的声学测量提供了有效方法。

分层浅海海洋环境噪声场的射线预报方法

海洋环境噪声场是一个随地域、时间变化的复杂的场,现场快速预报对于环境匹配的声纳系统有重要意义。文章中利用射线声学模型计算了等声速分布、负梯度声速分布、正梯度声速、及任意声速分布条件下分层浅海海洋环境噪声场的指向性、噪声强度和相关函数随深度变化的规律。研究表明:分层浅海海洋环境噪声场与海底特性及声速分布有很大关系;利用射线预报方法可以快速预报分层浅海海洋环境噪声场。

基于波束计算的水下声学探测设备声兼容传播过程分析

对于搭载多种声学探测设备的水下平台,不同设备的信号可能会产生相互干扰。因此,根据探测设备的波束特性,针对水下平台对海底的探测情形,来分析探测设备声兼容传播过程的特性。结合射线声学和海底散射模型,建立了声兼容分析中声传播的计算方法,并且分析了传播过程中各种因素对声兼容设计的影响。结果表明,在算例的波束条件下,声速剖面对声兼容性的影响较小,而特定类型的海底底质的影响较大。此外,水下平台距海底越高,或者波束偏转越大,声学设备间的相互干扰就越大。为了尽可能减小干扰信号的影响,应尽量避免干扰信号的发射波束和接收波束交叠,此外还给出了波束覆盖角阈值和干扰信号衰减的关系。

水下稳态涡流场声传播特性

基于射线声学理论研究了水下稳态涡流场的声传播特性。首先,根据移动介质中的程函方程,推导了二维稳态涡流场的射线微分方程组,实现了声波通过涡流场的声线轨迹模拟,获取了通过不同涡流场的声信号;然后,基于稳态涡流场的声传播特性,构建了接收声信号相位与涡流场特征参数之间的映射关系,通过数值仿真反演稳态涡流场特征参数,仿真结果与理论值的相对误差在15%以内。仿真结果表明:基于射线理论可以有效模拟声信号通过涡流场的声线轨迹及信号变化,具有直观、计算效率高的优势;随着涡环量增大,涡流对声传播的影响更为明显;利用声信号相位可实现对速度分布、涡核位置、涡环量等涡流场特征参数的估计。

水下稳态涡流场声传播的数值模拟和实验研究

声波穿过涡流场时声传播特性会发生改变,可由此判断涡流场的存在及其特征参数。文章首先推导了二维稳态涡流场的射线微分方程组,实现了声波通过涡流场的声线轨迹模拟。然后开展水池超声传感器实验,采用现代计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真方法获取涡流场参数。最后将通过涡流场声信号的时延结果,与实验测量值进行对比分析。结果表明,对于涡核半径为30 mm,最大切向速度为1.2 m·s^(-1)的涡流场,数值模拟误差小于10%,验证了基于射线声学的水下稳态涡流场声传播数值模拟的有效性。

综采工作面系统巷道布置对声场分布特性的影响

研究综采工作面系统不同巷道布置的声场分布及噪声积聚规律对矿井噪声防治及个体防护具有重要意义。利用有限元法和射线声学法分别建立综采工作面系统的声场仿真模型,经与现场试验巷道实测结果对比,验证了模型可靠性,进而分析了不同巷道布置类型、采场空间宽度、拐弯角度等参数影响下的声场分布特性。结果表明:近声源区、拐弯巷道及分岔巷道分支起始端口的左右两侧为声能量积聚区域,拐弯角与分岔角对近场声压级无明显影响;在L形巷道结构中各巷道宽度一致时,其内部低频噪声的声压级衰减速率最快,而高频噪声传播不受宽度变化的影响;拐弯巷道及分岔巷道分支内部的声压级衰减幅度随着角度的增大而增大,二者声场分布相似,分岔巷道中声压级衰减速率更快。

水下声速场构建方法综述

实时、精确地构建区域声速场是建设水下综合定位、导航、授时与通信体系的重要组成部分。本文梳理并分析了水下声速场构建领域的研究现状,总结了声速剖面直接测量方法与反演方法。声速反演法相比于直接测量法具有更高的便捷性和可接受的精度性能。然而,声速反演方法依赖于声呐观测数据,因此难以适用于无水下观测系统覆盖的地区,并且无法对未来时刻的声速分布进行预测。如何在无声场观测数据情况下,综合利用历史先验信息进行智能化、高精度地全海深声速场构建,弹性化为水下用户提供不同精度、实时性需求的声速分布估计服务,是未来声速场构建研究主流趋势。

联合匹配场和神经网络的声速时间场构建方法

局域声速场变化严重影响了海洋声学定位与导航的精度,构建高精度、高分辨率的声速时间场尤为重要。针对局域声速场参考样本不足导致声速场构建精度较低的问题,本文依据匹配场和神经网络理论,建立了联合匹配场和神经网络的声速时间场构建方法。利用通信数据和全水深声速剖面数据,采用匹配场处理进行声速剖面仿真,其次通过后向传播神经网络拟合经验正交函数分解重构系数构建声速剖面,并与实测抛弃式温盐深剖面仪数据进行对比。结果表明:与平均声速剖面的1.079 m/s相比,考虑匹配场仿真声速剖面的联合匹配场和神经网络的声速时间场构建方法的均方根误差为0.665 m/s,提高了38.4%。因此,该算法可以提高复杂海洋环境中声速时间场的构造精度。

有限非均匀空腔障板对换能器指向性的影响

声障板可以改善换能器的灵敏度和指向性,是换能器及基阵设计中必不可少的声学结构。本文建立了有限空腔障板和非均匀空腔障板的模型。利用射线声学的理论,研究了以上两种障板对换能器指向性的影响,结果表明障板的边缘和障板的厚度变化都会影响换能器的指向性。文章最后给出了部分实验结果,理论结果与实验结果基本相符。

提取血管特征参数的研究

本文应用射线声学方法处理软管（模拟血管）散射声场，讨论了空域和频域中管的逆散射问题。测量了两种橡皮软管在空域和频域中散射场，并重构了管的内、外半径、声速、密度、衰减系数，相对误差小于５％。

小型矢量阵深海被动定位方法

文中提出一种适用于深海条件下并已知各项有关环境参数时,利用七元小型矢量立体阵,借助测定目标辐射噪声由不同途径自声源到达接收点的天顶角及方位角的结果,依据射线声学方法求得目标方位、距离和所在深度的被动定位方法。给出了矢量阵依多极子原理进行波束形成的计算公式,并就一种简单水文模型,给出解析计算公式。

动力吸振器在声黑洞单元中的放置位置对减振效果的影响

声黑洞(ABH)效应是通过将板结构厚度按特定规律改变以逐渐降低振动波在板内的传播速度,从而实现将能量聚集于某特定区域的现象;ABH近年来在控制结构振动和噪声方面得到较多的研究。以排列有(2×2)个声黑洞单元的板结构为研究对象,通过射线声学理论建立了在其等效二维板结构中弯曲波传播的轨迹模型;探讨了不同入射角度下声黑洞结构对弯曲波的聚焦位置;发现当声黑洞单元最小厚度不为0时,其聚焦位置可能不在声黑洞单元的几何中心;对此类声黑洞单元板使用多个动力吸振器(DVA)进行振动控制并采用数值搜索技术对其进行参数优化;在此基础上,研究了动力吸振器的放置位置对减振效果的影响。通过对比发现,参数优化后的动力吸振器在峰值处及其附近宽频带范围内均有非常显著的减振效果。

有限水域试验场声传播特性的仿真计算与试验

在有限水域试验场中进行大型复杂结构的水下声振试验,声信号测量和数据处理是关键。天然水域边界条件未知,水文环境复杂,仿真难度高,增加了数据处理难度。采用Matlab和VB混合编程软件AcTUP,分析试验场"沉积层和水位"的选取原则,得到与试验值较为吻合的仿真模型。通过仿真计算,得到固定深度声源的"无因次量纲"参数、固定水深的声源位置及水面粗糙度对试验场声传播损失的影响规律,并基于射线声学理论对试验值和仿真值的偏差进行非相干分析,得到了有限水域试验场的基本声传播特性。

海洋声层析的基本原理和应用

从射线声学和简正波声学的角度 ,概述了海洋声层析的基本理论 ,包括射线走时反演、简正波走时反演、简正波相位反演和简正波水平折射层析。海洋声层析以反演海水温度和流速为基础。

基于标准声源的有限水域试验场声传播特性试验研究

舰艇噪声控制实验中,为保证模型和实艇的声学相似性,增大模型比例是关键,实际上,大比例舰艇模型的声学实验很难在消声水池中进行,因此,天然有限水域试验场成为首选。在有限水域试验场中进行大型复杂结构的水下声振试验,声信号测量和数据处理至关重要。天然有限水域边界条件未知,水文环境及声传播特性复杂,仿真难度高,增加了水声信号的处理难度。基于标准声源试验研究某有限水域试验场的声传播特性,实质上是把水下辐射声压级测量值归一到距标准声源单位距离处的声压级,采用AcTUP软件对试验场的沉积层声学特性和水位选取原则进行探究,并基于射线声学理论对声压级试验值和理论值的偏差进行非相干分析,从而得到试验场基本声学参数对声传播特性的影响规律。

三维成像声呐目标回波建模仿真及分析

针对三维成像声呐成像及后续图像处理背景下存在实际场景数据难获取的问题,提出海底混响场景下实际目标建模模型和回波信号仿真的方法。文章首先建立了浅海楔形海底的线状目标回波模型,然后基于射线声学混响模型,采用信道卷积法推导得到理想环境下的回波信号以及浅海环境混响干扰下的回波信号,最后对回波信号进行三维波束成像和三角网重建,并对有无混响下的成像结果进行对比分析。仿真结果表明该方法得到的回波信号能够正确地体现目标的轮廓特征和位置信息,极大的降低了实验成本。