软质面层抑制高阶模态降低地板结构撞击声研究

为了研究并降低地板结构受到激励时产生的撞击声响应,利用振动模态叠加思想,将地板结构受到激励时空间中一点接收到的声信号表示为各阶振动模态的叠加,若某一阶振动模态受到抑制或不被激发则可降低、消除对应频率处的辐射噪声。通过在结构表面铺设软质面层并用标准撞击器激励的方法进行实验研究,结果表明,通过在地板结构表面引入软质面层的方法,可以有效降低地板结构的规范化撞击声压级,因为随着频率的增加,当激励力不足以激发高阶模态时,地板结构不辐射对应频率处的噪声,由此可以达到降噪的目的。

基于BELLHOP模型的水下多目标跟踪算法研究

针对高频主动声呐的深海多目标跟踪问题,提出了基于BELLHOP模型的无迹卡尔曼滤波-高斯混合概率假设密度(Unscentesd Kalman Filter-Gaussian Mixture-Probability Hypothesis Density,UKF-GM-PHD)水下多目标跟踪算法。该算法首先利用BELLHOP射线声学模型,计算出本征声线、目标信号的幅度、相位及时延信息,以此构造目标回波信号并叠加高斯白噪声。然后,由回波信号计算得到目标相对于观测站的距离、方位角和俯仰角信息,作为目标跟踪系统中的量测信息。最后利用提出的UKF-GM-PHD多目标跟踪算法,实现高频主动声呐非线性系统的多目标跟踪。仿真结果表明,在深海高频主动声呐条件下,文章提出的UKF-GM-PHD多目标跟踪算法较传统高斯混合概率假设密度(Gaussian Mixture Probability Hypothesis Density,GM-PHD)方法,明显降低了目标丢失率,并且最优子模式指派统计量(Optimal Sub-Patter Assignment,OSPA)距离也更小,跟踪效果更好。

近岸4种鱼的声散射特征提取及融合实验研究

为了有效地提取表征鱼类间差异的声散射特征参数,该文通过绳系法实验研究了近岸4种经济鱼类的声散射信号特征提取及融合方法。首先,通过自研双频鱼探仪采集花鲈、许氏平鲉、黑鲷和斑石鲷的个体鱼声散射信号;然后,分别测定200 kHz和450 kHz换能器下鱼体的目标强度,同时提取鱼声散射信号的时频域统计特征;最后,将降维后的时频特征与频差特征融合组成新的特征向量。该文通过实验验证了该方法的有效性,基于组合特征的支持向量机识别准确率达93%。结果表明,鱼的频率响应特性和鱼声散射信号的时频域统计特征能一定程度上反映鱼的固有属性,有效地增加判别依据能显著提高以上4种鱼类的识别准确率。

双层壳体目标敷设声学覆盖层低频散射特性研究

对于敷设均匀粘弹性覆盖层双层壳体的低频声散射数值仿真,有限元方程中壳体有限单元不再适用。为此,文章对于目标壳体的振动,通过在壳体表面进行三角形网格划分,然后沿壳体法线方向映射,从而建立表征壳体振动的扁平化三棱柱有限单元。通过对双层球壳敷设覆盖层后的目标强度仿真计算,验证了该方法的有效性。文中还对双层球冠柱壳结构敷设覆盖层前后的散射特性进行了仿真计算,结果表明不同的敷设方式会产生不同的消声效果,其中内外壳均敷设时可以在更宽的频带内达到较好的消声效果。

利用声电类比法对微穿孔板阵列吸声性能的研究

针对声学有限元算法计算微孔板阵列吸声系数计算复杂、难以实现这一问题,提出了利用声电类比法计算具有不同吸声带宽的微孔板结构并联构成的微孔板阵列的吸声系数,利用该方法对声波垂直入射、按一定角度斜入射和从各个角度漫入射时的吸声系数进行理论计算,并利用阻抗管法进行垂直入射时吸声系数测试实验。结果表明,通过调节微穿孔板阵列的不同单元的深度,可以使其吸声系数在3个倍频程范围内达到0.6以上,得到较为理想的吸声结构,理论与实验结果吻合较好。

斜坡海底海洋环境噪声垂直指向性研究

为了解决斜坡海底地形的环境噪声高频建模问题,为三维环境噪声的进一步计算奠定了基础。在射线法的基础上,采用N×2D的近似算法,研究了斜坡海底情况下,均匀分布在海面上的噪声源所产生的环境噪声垂直指向性。考虑了海水吸收,海底反射,声速剖面对垂直指向性计算结果的影响。研究表明:三种因素均会对斜坡海底的噪声垂直指向性产生影响,其中声速剖面对其影响要大一些。

反射体对U型梁贴附式吸声材料插入损失影响的实验研究

为了探究反射体对U型梁贴附式吸声材料插入损失的影响,根据车厢轮廓建立模拟反射体进行实验研究。利用声线理论分析了当反射体存在时,由于中高频噪声经过反射体与吸声材料表面间的多次反射逐渐消耗能量,使插入损失比没有反射体时增大;实验结果表明,对于U型梁外侧的噪声敏感区,反射体存在时的插入损失值明显大于没有反射体时;各测点的1/3倍频程插入损失曲线表明,反射体的存在对中高频段噪声的影响较大,对低频段噪声影响较小。本实验为评价某新研发的贴附式吸声材料在U型梁腹板内侧使用时的实际降噪效果提供参考。

嵌入式风关海洋环境噪声反演系统的研究

设计开发了一种基于DSP(D ig ita l S igna l P rocessor)的超低功耗风关噪声嵌入式反演平台。在分析浅海风关噪声特性的基础上对水声传感器采集的风关噪声信号放大滤波和A/D转换,并在DSP上实时进行反演运算,运算结果和原始采集数据用硬盘进行大容量存储。反演系统在中国南海海域进行了实验,系统稳定工作时间超过100 d,数据采集完整,反演结果基本反映实际情况。

基于水声技术的黄海近海鱼类活动定点监测研究

为了研究黄海近海鱼类活动规律,采用自主研制的科研型鱼探仪于2015年11月22日至12月5日对调查海域的鱼类活动进行了首次声学调查,统计分析鱼类活动规律。在调查海域布放4套鱼探仪设备对鱼类进行定点长时间监测,并将采集到的鱼类回波数据利用水声技术进行分析和处理,得到调查海域单体鱼类目标强度在垂直方向上的分布、鱼类目标强度大小的分布以及鱼类在不同水层和不同时间段的活动情况。结果显示,调查海域冬季鱼类主要活动在4~10 m的中上水层,鱼类分布随着水层深度的逐步增加而急剧减少;从9∶00至13∶00鱼类活动频度呈增大趋势,并在13∶00至14∶00频度达到顶峰(约为38%),随后频度减弱;统计得到该海域鱼类目标强度主要以-49^-40 d B占比最高,目标强度大于-40 d B的鱼类均匀分布在整个水层,目标强度小于-40 d B的鱼类主要分布在4~10 m浅水层。研究表明,采用水声技术能够实现对鱼类活动的监测;调查海域的鱼类目标强度分布比较集中,鱼类在深度上的分布主要集中于中上水层,鱼类在不同时间段的活动情况随水温变化而变化,温度升高鱼类活动频度增加,反之则降低。由此可知,该海域鱼类的种类以暖水物种为主。

深海波导中目标低频声散射特性研究

针对深海环境中目标的主动探测问题,建立了深海波导中目标低频声散射仿真的简正波耦合边界元理论模型。首先仿真了深海波导中Munk声速剖面条件下的声传播特性,然后根据深海波导中的声传播特性,仿真计算了声源位于不同深度时,波导中目标低频散射回波强度随声源与目标之间水平距离变化的特性。仿真结果表明,当声源深度为100 m(近海面)与1400 m(声道轴)时,受完全声道的影响,在会聚区附近范围内散射回波强度较大;声源深度为4900 m(近海底)时,受直达波与一次海面反射波的影响,在中近距离(小于40 km)范围内散射回波强度较大;对于接收水听器而言,置于临界深度以下时主动探测的距离更远。

重庆地铁采用WTMD抑制钢轨波磨及噪声的试验研究

为研究宽频型调谐式钢轨阻尼器(Wide-frequency Tuned Mass Damper,简称WTMD)对抑制波磨和减小车内噪声的效果,基于WTMD设计原理及调频方法,通过前期测试得到钢轨波磨及噪声主频,从而确定WTMD型号,并在重庆地铁1号线双碑至石井坡上行高架桥曲线段进行了安装及现场试验研究,对同一半径(R=545 m)曲线内钢轨安装WTMD区段与未安装WTMD区段进行对比测试,测试结果表明:安装WTMD后可以改善钢轨动力特性,在安装WTMD后车厢内1.5 m处噪声降低7.2 dBA;安装WTMD后钢轨在250~5 000 Hz频带内的阻尼特性得到明显改善,钢轨纵向振动衰减率分别在垂向和横向分别最大提升约28倍(3 150 Hz)和17倍(1 250 Hz);该改造段内钢轨波磨的特征波长为40 mm,433 d跟踪测试结束时未安装WTMD的钢轨表面粗糙度级最大超出TSI 3095:2010限值达28 dB,而安装WTMD段无明显钢轨波磨现象,安装WTMD能够有效抑制钢轨波磨的发展。

平顶有肋柱壳低频散射特性研究

应用边界元(BEM)和有限元(FEM)耦合方法对平顶有肋柱壳在声波轴向入射时的低频反向散射特性和振动位移状态进行了计算,对结果作了分析。并且实验测量了与计算相同的三个目标的低频反向散射特性,同计算结果相比较,结果基本一致,理论和实验结果均证明了肋骨存在对回波强度的影响,改变了原有振动系统的振动分布,使得散射谐振发生变化。

水下探测中继平台系统研究

水下升降中继控制系统能够依照控制策略实现天线仓的升降过程,通过水声通信机、卫星天线实现潜标与远程指挥机的周期性数据上传及指令下载。设计了系统的结构与通信方案,解决了水下小型排缆绞车、深水直流小功率电机、升降控制策略及通信协议等关键技术问题。介绍了锚系系统设计方案、工作流程、每个结构部分的功能需求及系统应用;通过预先设定的中继控制仓时间表,控制天线仓的升降,完善可靠的升降控制过程及通信协议,为系统功能的实现提供了条件。

三种鱼类发声信号频带能量特征提取与分类研究

海洋渔业资源的开发和利用对经济鱼类的分类识别提出了迫切的技术需求。根据鱼类的不同发声特征,文章采用有监督机器学习方法实现了三个不同鱼种发声信号的分类。基于小波包分解技术提取了黄花鱼、大米鱼和黄姑鱼三种鱼类发声信号的频带能量特征,并利用不同的分类器进行分类。结果表明:三种鱼的发声信号频率主要集中在300~800 Hz之间,基于小波包分解的频带能量特征可实现3种鱼的有效分类。其中,线性判别分类器和随机子空间判别分类器的分类效果较好。该方法可为海洋渔业资源的开发和利用提供服务。

声透镜指向性换能器研究

该文利用声学透镜使声波能量聚焦,实现小尺寸换能器窄波束声辐射。利用有限元方法分别建立了单凹面声透镜及双凹面声透镜仿真模型,优化了声透镜结构参数,设计并制作了双凹面声透镜指向性换能器,并在消声水池内对换能器样机和声透镜进行了性能测试。换能器样机辐射面积直径Φ120 mm,设置声透镜后,提高发送电压响应级4 dB,发射指向性-3 dB波束开角由76°变为约30°(@10 kHz),与仿真计算结果相符。实验结果表明,声透镜有效减小了换能器发射波束宽度,提高了换能器主瓣发送电压响应,验证了双凹面声透镜对优化换能器指向性的效果。

薄壳目标的多基地声散射特性研究

文章对水中薄壳目标的多基地声散射特性进行了理论仿真与试验测量研究。首先采用有限元耦合边界元和基尔霍夫(Kirchhoff)近似积分两种不同的数值计算方法对内部充气球冠圆柱壳的多基地声散射特性进行建模仿真,然后通过目标在消声水池的散射声场试验测量验证仿真结果的有效性。采用相同的数值计算方法对Benchmark模型的多基地散射声场进行仿真计算,分析多基地(全向)声散射特性及散射机理。结果表明,水中目标多基地散射的回波强度与回波结构与多基地分置角相关,且回波亮点的主瓣宽度也随多基地分置角变化而变化;Benchmark模型的艇体和指挥舱之间存在强烈的干涉作用,使多基地(全向)散射声场的竖状条纹发生倾斜。研究为水下目标的多基地探测提供理论支持。

“招鹤回鸣”:布拉格共振声学景观

自然界存在各种各样的声学现象,譬如著名的天坛回音壁、三音石。这些现象一般与当地的自然声学环境密切相关,形成独特的声学景观。为解开青岛即墨鹤山声学景观＂招鹤回鸣＂之谜,进行了三次现场试验和测试。测试数据谱分析结果表明：当在景点北面47级石阶正前方16~20 m区域击掌或发射一定频率的CW脉冲声波时,石阶所构成的准周期性结构形成布拉格声反（散）射体回波,在某些频率附近相长干涉,明显加强,另一些频率则相消干涉而削弱,回波各频率叠加后形成宛如＂鹤鸣＂声。采用布拉格散射原理分析该石阶结构的回波,数值计算所获得的接收点回波增强频带和回波削弱＂带隙＂频带区,和上述测试分析结果完全一致。声学景观＂招鹤回鸣＂源于准周期结构回波特性,不同于天坛回音壁的声学机理。文章所述方法可为类似声景观的设计及分析提供借鉴。

无线分布式渔业资源声学监测系统

针对传统走航式的渔业资源声学监测方式效率低、不易扩展的缺点,设计一种无线分布式渔业资源声学监测系统。系统由多个分布式的监测点组成,监测点之间通过无线网络进行通信,每个监测点由船、鱼探仪、计算机、GPS、无线AP及天线组成。设计应用程序的主控端机制,由主控端对系统进行整体控制,使各监测点可以协同运行,互不干扰。应用程序自动维护各监测点的数据一致性,保障各监测点的状态及监测数据同步,以GIS形式展示监测数据与地理信息。多个分布式的监测点协同工作,增大瞬时监测范围,提高监测效率及数据的准确性,无线网络的应用和分布式的系统结构,允许根据不同的水域环境和监测需求灵活配置监测点的数量及位置。

东中国海夏季海洋环境噪声特性分析

海洋环境噪声不仅是水中目标探测的背景干扰声场之一,还可用以反演海洋物理参数。文章基于实测东中国海某海区夏季海洋环境噪声数据,分析其时频特性、统计特性以及风关特性。研究结果表明,试验期间该海区100 Hz以下频段的海洋环境噪声级约为110 dB,频率为100和300 Hz的海洋环境噪声级分别服从自由度为8和6的卡方分布,频率为1 kHz和3 kHz的噪声级服从正态分布;海况对低频海洋环境噪声级概率分布无明显影响,但是对高频段噪声级正态分布的均值和方差会产生一定影响;随着频率的增加,海洋环境噪声级与风速对数间的相关系数逐渐增大,1 kHz以上相关系数在0.6~0.7之间;100 Hz以上频段的噪声谱级基本不随深度发生变化。文中的结果可以为水中目标的探测以及浅海海洋环境噪声的应用研究提供技术支持。

应用于海底沉积声学原位测量的球形换能器研制

该文对标ITC-1007与ITC-1032球形换能器,为海底沉积声学测量系统研制了两款中低频球形换能器(SP32K和SP12K)。通过理论及有限元方法对换能器进行仿真设计,制作换能器样机并对其进行了性能测试。低频球形换能器(SP12K)的谐振频率约为12 kHz,工作频带为2~20 kHz,最大发射电压响应为149 dB。中频球形换能器(SP32K)的谐振频率约为32 kHz,工作频带为15~50 kHz,最大发射电压响应为149 dB。实验结果表明,研制的中低频球形换能器与国外同类产品相比,性能基本一致,满足相关声学测量需求,这为研制中低频海底沉积声学原位测量系统等声学装备提供了有力支撑。