利用频率波数谱能量扩展差异的水面水下目标分辨

提出基于波数能量频域扩展特征的水面水下目标分辨方法,通过模态域波束形成计算频率波数谱,并根据环境信息建立目标深度与波数扩展差异间的映射关系,并以此作为判决模型实现目标深度辨识。仿真结果表明所提方法在目标方位预估不准时依然稳健。通过SWellEx-96数据和大连海域实测数据验证了本文所提方法的有效性,海上试验数据处理结果表明该方法在132 m水平阵纵向有效孔径、100~800 Hz处理频段条件下,初步具备了水面水下目标分辨能力,且水面目标波数扩展特征高出水下目标10°左右,两类目标差异明显。从声传播特性的角度,所提方法为解决目标深度辨识难题提供了新的思路。

均匀各向同性湍流的频率波数能量谱

对均匀各向同性湍流的频率波数能量谱进行了初步研究,得出均匀各向同性湍流中能量随时间、空间尺度分布的解析表达式,并运用直接数值模拟的方法对理论预测进行验证.数值结果很好地支持了理论预测:横扫速度是决定频率波数能量谱的特征量.

水下航行体表面湍流脉动压力波数−频率谱测试应用分析

[目的]分析不同模型表面流动激励力的相关性测试结果在流激振动声辐射中的应用。[方法]利用湍流脉动的压力波数−频率谱计算流激平板声辐射模型,建立水下航行体湍流脉动压力波数−频率谱测试应用方法,并将测量结果与经典模型计算结果进行比较。[结果]结果显示,平板模型的湍流脉动压力波数−频率谱测量结果与经典模型计算结果比较一致,偏差小于3 dB;在环频以上频段,回转体模型可近似为平板,其表面湍流脉动压力波数−频率谱测试结果与平板模型的差别很小,偏差小于3 dB;在环频以下频段,采用平板模型的激励力测试结果计算回转体的流激振动声辐射会带来较大的偏差。[结论]试验与分析结果可为水下航行体流动激励力测试应用提供理论基础。

平板壁面湍流脉动压力及其波数——频率谱的大涡模拟计算分析研究

壁面湍流脉动压力是重要的流噪声声源,对壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱进行数值计算是流声耦合领域的重要课题,开展相应的研究十分必要。文章采用大涡模拟方法(LES)结合动态亚格子涡模型(DSL)与千万量级的精细网格,对平板壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱进行了数值计算,并与试验结果进行了对比分析,验证了数值计算方法的可靠性。首先,介绍了大涡模拟的物理内涵与基本方程,给出了所采用亚格子涡模型的表达式。其次,描述了Abraham试验中矩形试验段的几何特征,给出了网格的剖分形式,并给出了相应的离散求解数值方法以及边界条件的设置。再次,探讨了湍流脉动压力变化规律及其相似律,基于Fourier变换计算得到了湍流脉动压力波数—频率谱,并详细讨论了壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱计算值与试验值之间的差异,进行了定量与定性的验证分析,结果表明,计算结果与试验结果吻合良好,计算方法合理可靠,为今后复杂几何模型壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱的计算研究工作奠定了基础。最后,基于试验和计算结果,比较分析了常用波数—频率谱理论模型,为波数—频率谱的工程应用提供了参考。

频率/波数谱法用于分析鱼雷壳体样品

本文利用快速傅里叶变换和最大熵谱法计算频率 /波数谱 ,对鱼雷壳体的受激响应特性进行了频率 /波数谱分析 ,得到了振动波在鱼雷壳体中传播的波数、波速、波型和波的传播方向 。

低波数下平板湍流边界层壁压起伏的波数—频率谱

基于Ｃｈａｓｅ的理论，对考虑了平板尺度及湍流壁面剪切应力起伏的平板湍流边界层壁压起伏的波数—频率谱进行了分析。结果表明：若考虑平板尺度及湍流壁面剪切应力起伏的影响，则平板湍流边界层壁压起伏的波数—频率谱不存在奇异点；与湍流壁面剪切应力起伏相比较，平板尺度对壁压起伏的波数—频率谱的影响更大；平板壁压起伏的波数—频率谱在低波数域内的谱峰发生了偏移。

湍流边界层脉动压力波数-频率谱模型对比研究

湍流边界层噪声是舰船主要水动力噪声之一。湍流边界层噪声预报须选用适当的脉动压力波数—频率谱模型。引入6种常用的脉动压力波数-频率谱模型,在波数域和频域内进行对比;运用这些模型对槽道流边界层脉动压力自功率谱进行预报,并引入试验结果进行对比,为工程应用中选择适当的脉动压力波数—频率谱模型提供依据:Corcos模型物理意义明确,但预报精度稍差;Chase模型表达式复杂,经验性更强,物理意义不明晰,预报精度较高。

回转壳体中波传播特性研究的频率-波数谱法

基于快速傅里叶变换和最大熵谱法提出了一种频率 -波数谱法 ,并对某水下航行器尾部壳体的受激响应进行了分析 .运用这一有效方法 ,得到了振动波在该壳体中传播的波数、波速、波型和波的传播方向等重要信息 .针对壳体尾部模型的受激响应控制进行了试验研究 ,讨论了加强筋对振动传播的影响 .进一步用波动理论解释了加强筋的减振机理 .结果表明 ,采用当前的加筋方案对壳体结构的振动噪声控制。

壳体受激响应的频率/波数谱分析法

本文利用快速傅里叶变换和最大熵谱分析计算频率／波数谱，对某水下航行器中段壳体的受激响应特性进行了频率／波数谱分析，得到了振动波在该壳体中传播的波数、波速、波型和波的传播方向，与理论分析相比，结果吻合较好。

混响环境下基于频率-波数谱分析的水下慢速目标回波检测方法

针对水下慢速目标回波信号往往被随机噪声、混响信号等湮没的问题,提出一种基于频率-波数(FK)谱分析的回波检测方法。FK谱分析相当于速度滤波器,回波中的混响信号与运动目标信号在FK域呈现不同形态。利用此特性,通过Radon变换提取接收信号经过二维傅里叶变换后的FK谱线信息。构建低维数特征空间,采用支持向量机识别运动目标和混响信号。进一步根据运动目标信号的FK谱线斜率构建滤波器,进行信号滤波。该方法将目标分类前置,不需要预先对信号做波束形成,较传统方式更高效。采用海试数据验证算法,成功从强混响信号提取目标信号,并获得大约3 dB增益。结果表明,回波检测方法能够提取受混响严重干扰的慢速运动目标信号。

二维空间脉动风场波数-频率联合功率谱表达的FFT模拟

针对二维空间纵向脉动风场模拟问题,采用多维随机场理论,基于Davenport脉动风速谱和相干函数模型,导出了二维空间均匀脉动风场的波数-频率联合功率谱。通过谐波叠加直接获得二维空间均匀脉动风场,避免了经典谱表达方法在脉动风场模拟时的空间离散和互功率谱矩阵的Cholesky分解或本征正交分解(POD)。为了进一步提高风场模拟的效率,在数值程序中引入了快速Fourier变换(FFT)技术。最后,对风力机桨叶所在平面进行了二维空间脉动风场模拟,验证了该方法的准确性和高效性。

自由来流角度影响下壁面湍流脉动压力波数—频率谱的大涡模拟计算分析研究

壁面湍流脉动压力是重要的流噪声声源,对壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱进行数值计算是流声耦合领域的重要课题。文章在已有工作的基础上,采用大涡模拟方法(LES)结合动态亚格子涡模型(DSL)与千万量级的精细网格,对不同自由来流角度影响下壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱进行了数值计算与分析。首先,介绍了大涡模拟基本方法,包括:大涡模拟的物理内涵、基本方程以及所采用亚格子涡模型的表达式。其次,介绍了湍流脉动压力波数—频率谱及其计算与分析方法。再次,对不同自由来流角度情况下的湍流脉动压力及其波数—频率谱进行了计算,并将计算结果进行了比较分析,深入讨论了自由来流角度对湍流脉动压力及其波数—频率谱的影响。结果表明,在自由来流角度影响下,湍流脉动压力及其波数—频率谱主要参数(包括波数—频率谱的谱级峰值、迁移脊在波数—频率域内的分布范围、迁移速度和无量纲迁移速度等)均发生了明显变化,说明自由来流角度对湍流脉动压力波数—频率谱有显著影响,且边界层内湍流脉动压力的能量主要沿流向分布。因此,为了更加准确可靠地研究边界层内湍流脉动压力的主要统计特性及其波数—频率谱,传感器阵列或监测点阵列布置方向应与当地流向(局部剪应力线或摩擦力线)一致。

孔腔脉动压力及其波数—频率谱的大涡模拟研究

孔腔流动中包含着流动分离和失稳以及涡旋相互干扰等复杂的流动现象。孔腔涡旋流动引起的流体振荡能够引起脉动压力的显著增加从而产生强烈的噪声,在工程实际中备受关注。湍流脉动压力是流激噪声的重要来源,也是湍流研究中的基础性问题,对其进行数值计算研究是流声耦合领域的重要内容,而湍流脉动压力波数—频率谱的构建更是该领域的技术难点。文章采用大涡模拟方法(LES)对孔腔脉动压力进行了数值模拟,考察了四套网格和四种亚格子应力模型对计算结果的影响,并与试验结果进行比较,验证数值计算方法的可靠性。首先采用大涡模拟方法计算了孔腔的脉动压力,并与中国船舶科学研究中心的空泡水筒试验结果进行对比分析。接着详细地分析孔腔脉动压力,研究亚格子应力模型和网格数量对计算结果的影响。最后,对数值计算得到的脉动压力多元阵列结果进行时间/空间Fourier变换,构建了三维脉动压力波数-频率谱。该文工作对今后流激结构振动噪声的预报和流动控制研究奠定了基础。

基于湍流脉动压力的波数——频率谱预报流噪声

[目的]根据Lighthill声类比方程及其发展理论,可以将壁面湍流脉动压力的波数—频率谱作为声源项来预报流噪声,且分析湍流脉动压力的波数—频率谱有助于了解湍流结构的时空关联特性。[方法]以NACA0012翼型为例,采用大涡模拟(LES)方法进行流场仿真计算,然后通过Fourier变换得到壁面湍流脉动压力波数—频率谱的数值解,并与Corcos的平板湍流边界层脉动压力波数—频率谱模型进行比较;在此基础上,将该波数—频率谱作为声源输入,代入Goldstein版本的声类比方程中预报辐射噪声,并与软件计算的流噪声结果以及Brooks试验拟合结果进行比较。[结果]结果发现:小曲率变化的NACA 0012翼型表面的波数—频率谱具有与平板表面相似的一般特性;在中、低频段采用该方法预报的流噪声结果与Brooks试验结果拟合更好。[结论]所得结果表明开展波数—频率谱研究是有必要的,将其作为主要声源项来预报亚声速下产生的流噪声是合理的。

基于波数-频率联合演变功率谱的一维空间非均匀脉动风场模拟

在高层建筑、大跨桥梁和大型风力发电系统等大型工程中,风荷载对结构的安全性至关重要、甚至是起控制作用的要素。因此,脉动风速场的模拟具有重要意义。谱表达方法得到了广泛的应用。但经典的谱表达方法需要对互功率谱矩阵的逐个频率点进行Cholesky分解或本征正交分解(POD),当模拟的空间点数较多时,分解效率非常低下、甚至可能出现矩阵奇异而难以实现。基于波数-频率联合功率谱或联合演变谱,不需要Cholesky分解或POD,可以方便地实现均匀或非均匀脉动风场的模拟。当模拟点为等间距点时,该方法能够使用FFT技术提高模拟效率,而当模拟点为非等间距点、不能使用FFT技术时,模拟效率依然有待提高。鉴于此,该文引入"结构化"非均匀离散方法和"舍选法"思想,建议了二维波数-频率域的非均匀离散策略,显著地提高了模拟效率。以某桥塔的一维空间非均匀脉动风场的数值模拟为例,验证了该方法的有效性。

利用微动高分辨率频率—波数谱法探测技术勘探地热资源

微动探测技术通过提取微动信号中面波频散曲线求取地下介质的横波速度结构,根据横波在不同深度地层中的速度变化,进行介质分层和构造识别。近年来,该技术凭借其绿色环保、抗干扰、勘探深度范围大的优势在资源勘探和工程勘探中崭露头角,而对于微动中频率-波数法的研究由于早前数据采集质量和数据处理能力的限制而受到制约,导致该方法良好的实际应用能力被低估。本文结合微动勘探实例介绍微动高分辨率频率-波数谱法的勘探方法,说明该方法的有效性和先进性。该实例中,使用微动探测技术在一处传统电法无明显异常、无法确定热储位置的区域使用三重圆形台阵布设一条7点测线,准确定位热储,采用高分辨率频率-波数谱法处理数据,微动剖面上视S波低速异常明显,边界清晰,以此为依据定位的热储成功打出热水,证实了该方法的有效性和可靠性;显示了此方法对异常敏感、分辨率高的优势。该方法可针对不同勘探条件灵活设计相应的观测台阵系统,操作简便,非常适合生产单位在城镇等干扰大、不可破坏的环境中开展工程、资源和环境勘探。

基于卫星海面高度资料的太平洋海区涡旋能谱分析

在空间均匀和各向同性的假定下,地转湍流理论认为涡旋动能随尺度分布遵循k–n定律(k为波数)。但实际海洋受边界、地形、层结等,具有明显的非均匀、各向异性特征。鉴于此,我们基于近30a卫星高度计资料,分别计算了热带、副热带、中高纬度等海洋涡旋强度不同区域的海面高度异常(SSHA)波数谱,进而利用线性回归拟合方法估算出中尺度波段上SSHA波数谱的斜率,并与地转湍流理论预测进行了对比。研究结果显示:SSHA波数谱从赤道到中高纬度逐渐变陡,其斜率由–4减到–5,基本符合赤道线性波动理论和准地转湍流理论的预测。SSHA波数谱斜率存在纬向与经向差异,例如在赤道地区,纬向谱比相应的经向谱陡;而在南极绕极流区域,经向谱斜率大于纬向谱斜率。SSHA波数谱斜率的各向异性表明海洋中尺度运动受β效应影响,具有明显的经向和纬向差异。以上结果表明,海洋中尺度运动介于准二维和三维之间,不能用一个全球普适的湍流理论模型来描述。

基于波数-频率谱的腔体流动自持续振荡频率研究

在目前普遍认可及广泛应用的腔体流动自持续振荡噪声频率预测方法Rossiter半经验公式中,只给出了经验常数k的推荐值,并没有给出具体的计算方法。为此,本文采用数值模拟的方法确定k值。首先,采用LES湍流模型建立腔体自持续振荡噪声预测模型。进而,分析腔体内部监测点,得到前三阶噪声峰值频率,并与k取推荐值(0.57)的Rossiter公式预测频率进行对比,预测结果存在一定的误差。然后,通过分析腔体后缘湍流脉动压力的波数-频率谱,得到k值为0.63并代入Rossiter公式,得到前三阶噪声峰值频率并与数值模拟结果吻合较好。结果表明,利用分析湍流脉动压力的波数-频率谱确定经验常数k的方法是可行的,并且能够提高Rossiter公式预测频率的准确性。

利用F-K谱评价地脉动台阵布设方案

为了充分获取有价值的地脉动记录,并兼顾节省观测费用,对常用的台阵进行分析,得到一个布局合理的地脉动台阵布设方案.利用最大似然法,研究圆形、十字形、菱形形状以及测点数量不同的台阵在模拟的正弦衰减波场下所得到的频率波数谱(F-K谱),根据谱极值是否唯一及对应的波数矢量是否与入射波方向一致来评价布设的台阵是否合理,为选择合理的台阵布设方案提供依据.结果表明,菱形台阵布设方案能用较少的测点获得较精确的计算结果,是利用地脉动台阵观测估算场地剪切波速度结构的首选布设方案.

GPR信号去噪的变分模态分解

为了进一步提高探地雷达(ground penetrating radar,GPR)数据的信噪比,压制由随机扰动引起的随机绕射能量,将二维变分模态分解(two-dimensional variational mode decomposition,2D-VMD)引入二维GPR数据的噪声压制处理中。首先,对GPR数据进行2D-VMD处理,并分析各阶本征模态函数(intrinsic mode function,IMF)分量及其对应的频率-波数域谱来确定雷达剖面中的各回波类型。然后,计算IMF分量与原始数据的互相关系数来确定信号模态和噪声模态,并对信号模态进行重构得到降噪后的数据。理论数据和实测数据测试表明,相比于传统的1D-VMD法,2D-VMD滤波后的含噪正演记录峰值信噪比由6.44 dB增加到7.72 dB;经2D-VMD降噪处理后的雷达剖面在保留有效信号的基础上,可以有效压制随机扰动带来的噪声,并且得到的雷达剖面同相轴连续性更好。