杭州应用声学研究所主持完成水声IEC 60500国际标准

2017年4月10日，由杭州应用声学研究所主持完成的国际标准IEC60500《水声-水听器-1Hz-500kHz频率范围水听器的属性》由国际电工委员会（IEC）正式出版。这是我国承担完成的第一项水声国际标准，它的出版标志着我国在水声国际标准制修订工作方面实现了零的突破，进一步提升了我国在水声国际标准化和计量领域的地位和影响力。

实验室认可助推实验室能力和水平提升——杭州应用声学研究所发展壮大之路

一、引言 我国入世后．面对全球经济一体化的大环境和实验室认可活动的国际化大潮．作为一个校准／检测实验室要走向世界、在竞争中求发展，要进入国民经济的主战场．就必须以积极认真的态度全面做好实验室认可工作．这也是实验室生存和发展的必由之路。

PDM与电子档案管理系统一体化开发的方案设计与优势分析——以杭州应用声学研究所PDM电子档案管理系统为例

PDM系统的广泛应用引发档案管理模式的变革,与电子档案管理系统的集成开发成为必然。本文以杭州应用声学研究所PDM电子档案管理系统为例,探讨了PDM与电子档案管理系统一体化开发的可行性与方案设计,分析其优势在于强化了前端控制、过程管理和文件控制,确保电子文件全面归档与真实、完整、可用、安全,并降低了系统开发的技术门槛与经济成本。

动静环双抛物线型机械密封性能理论研究

针对自主式水下无人航行器(AUV)航程短、尾轴易泄漏等问题,以AUV尾轴传动系统中的机械密封为研究对象,建立了双抛物线型流体静压型机械端面密封(DPHS-MS)二维轴对称数学模型,并对模型进行了试验验证;兼顾流体黏度随压力和温度的变化,选用有限差分法对Reynolds方程、能量方程及其他控制方程组成的耦合数学模型进行了数值分析计算;在相同的几何与环境参数下,对DPHS-MS、传统锥形(锥角β)流体静压型机械端面密封(CHS-MS)、单抛物线型流体静压型机械端面密封(PHS-MS)的密封性能进行对比。结果表明,在同等开启力下,DPHS-MS泄漏量比CHS-MS,PHS-MS小,且DPHS-MS提高了AUV水下运行的航程及安全可靠性,同等工况下航程可提高1 km以上;得到了几何参数对DPHS-MS密封性能的影响规律,优化了几何参数设计值。研究结果可为提高AUV尾轴机械密封效果提供理论设计依据。

水声材料声学参数测试技术的进展

水声材料是水下声系统能力形成和发展的基础,其声学参数测试技术是确保水声材料构件功能实现的重要保障,然而目前水声材料构件的测试技术面临着低频拓展及高压拓展等方面带来的技术挑战。水声材料构件的声管测试技术可分为驻波管法、脉冲管法和行波管法,此3种方法在适用性方面相互补充,但存在测试构件尺寸小难以阐明结构的整体特性、构件与管壁间的缝隙造成测量失准的问题。自由场测试技术及压力罐测试技术是大面积水声材料测试的有效手段,但存在测试构件边缘衍射造成测量准确性降低的问题。对目前采用的水声材料测试技术及其研究现状进行了综述,讨论了各类测试技术存在的困难和挑战,并展望了水声材料构件测试技术未来的发展方向。

水下弱目标跟踪的深度学习方法研究

针对水下弱目标跟踪受干扰和噪声影响容易出现量测丢失或偏差,导致传统Kalman滤波方法跟踪误差显著增加甚至出现发散的问题,为此提出一种基于神经网络的目标跟踪方法,利用深度神经网络解决不同运动模式下目标方位跟踪的问题。水下目标跟踪的神经网路模型可通过运动模型生成大量量测数据进行充分训练,有效解决水声目标数据少、标记样本不足的问题;在量测不连续条件下,提出一种新的损失函数用于增强目标跟踪模型的稳健性;对未学习的仿真数据及实测海试数据进行测试。研究结果表明:构建的卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)模型适用于3种不同运动模式下的目标,能在平台静止和运动两种情况下稳定跟踪目标;CNN模型较传统Kalman滤波方法跟踪误差分别降低了7.75°和1.41°,验证了该模型的稳健性和可推广性。

超短基线在低频基阵指向性测量中的应用

随着水声换能器工作频率的降低,实验室空间很难达到自由场和远场测量的要求。而开阔水域的水下环境复杂,基阵很难实现更深层次的吊放,需要安装价格昂贵的吊装平台来获取标准声源与待测基阵之间的相对位姿,效率低且维护成本高。文章采用超短基线定位技术,信号选用线性调频脉冲信号与伪随机编码脉冲信号,并分别基于脉冲压缩法和复相关算法实现距离和相位测量。比对湖上定位精度试验和基阵指向性标定静态试验的结果显示:角度误差为2.5°以内;-6 dB波束宽度在2~10 kHz频率范围内测量误差在5.38%以内。证明超短基线定位在低频基阵指向性标定的可行性。

高频宽带换能器多匹配层研究

在水声应用中,高频换能器往往需要较宽的工作带宽,以获得更多的目标信息。文章首先建立了等效电路模型,利用粒子群算法对匹配层材料和厚度进行初步选定,使得换能器具有最宽的工作频带;其次,通过有限元方法对匹配层换能器的导纳和发射电压响应进行分析计算;最后,在理论分析的基础上成功制得三匹配层高频宽带换能器,其工作频段约为150~430 kHz,相对带宽为93%,带内发送电压响应起伏为-6 dB。实验结果表明,三匹配层设计方案可以有效拓宽高频换能器的工作频段。

典型突出体水动力噪声特性与控制技术研究

水下航行器利用外部突出体通过流动压力差进行自流冷却,可很好地避免水泵激励排水管路产生的低频线谱噪声,但突出体作为外部凸体产生的噪声会影响水下航行器的声隐身性能。针对矩形入口和圆形入口两种突出体模型,开展流场与声场的数值计算,分析不同流速条件下两种突出体水动力噪声的产生特性,发现矩形入口突出体比圆形入口突出体的辐射噪声小。为进一步降低噪声,采用锯齿结构对矩形入口突出体进行流动控制,发现在矩形入口前缘添加锯齿的降噪效果优于在尾缘添加锯齿,并归纳了具有最佳降噪效果的锯齿参数。为验证数值计算结果,分别加工了四种突出体模型,并在重力式低噪声水洞中开展试验测试。结果表明,采用锯齿优化的矩形入口突出体,在10~2000 Hz范围内有较好的降噪效果。上述研究成果可为水下航行器突出体的低噪声设计提供参考。

HT-TBD在水下目标被动检测中的应用

在弱目标检测研究中,HT-TBD检测算法是1种有效的理论方法。针对现有水下弱目标被动检测的难题,提出1种适用于水下目标被动检测的HT-TBD算法。首先,阐述HT-TBD检测思路,在分析声呐浮标检测组检测预处理基础上,研究基于TBD理论和Hough变换的水下目标被动检测算法;其次,围绕浮标阵型适用场景,分析探测设备指标、环境场地指标、目标指标及干扰指标,给出拦截阵和覆盖阵2类试验方案及步骤;最后,在新安江水库对2类试验场景数据进行采集和预处理。结果表明:通过实测数据和MATLAB仿真验证了HT-TBD检测算法在水下弱目标检测的可行性和有效性。

PVDF及其共聚物压电性能的温度稳定性研究

均聚物压电材料PVDF及其共聚物P(VDF-TrFE)因其良好的压电、介电性能及化学稳定性等优点,在传感及超声领域有着广泛的用途。P(VDF-TrFE)共聚物是通过共聚反应,将偏氟乙烯(VDF)与三氟乙烯(TrFE)相结合得到。文章对比研究了在升降温及相变温度条件下PVDF及P(VDF-TrFE)两种聚合物材料薄膜的压电特性和介电特性。结果表明,P(VDF-TrFE)共聚物相较于PVDF均聚物具有较高特性和良好的温度稳定性,研究结果为P(VDF-TrFE)共聚物压电材料在传感器、能量采集以及环境监测等相关场景的应用提供了数据支撑。

基于实测数据的声速剖面延拓和同化应用研究

海水中声速剖面的建立是研究水下声场传播规律的基础之一,基于实测声速剖面数据对历史声速剖面数据库进行延拓和同化。首先,对某次海洋实验实测数据进行预处理,剔除数据中异常点,并根据拟合法将实测数据与历史网格对齐;其次,利用融合法对历史数据进行同化,得到同化后的声速剖面;最后,根据观测值和同化值的均方根误差进行实验验证,结果符合预期。

基于谱分析的水下目标定位优化方法研究

针对水下目标定位中存在的传统短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transform,STFT)方法的局限性,提出一种基于自适应窗函数的优化方法。通过研究基于谱分析的水下目标定位基本原理,聚焦于STFT的Doppler频移分析方法,并引入自适应窗函数进行优化,同时使用公开数据集对两种方法进行比较分析。实验结果表明,所提方法在速度估计精度和目标定位精度方面均优于传统STFT方法。

自适应干扰抵消应用于二元阵时间反转镜定位研究

时间反转镜是一种新兴的声呐定位技术,可以实现目标检测和定位。但,当存在多目标干扰时,时间反转镜的检测能力将下降,定位精度将变差。自适应干扰抵消技术广泛应用于声纳信号处理中,用以提高声纳抗干扰能力和检测性能。它对自适应干扰抵消应用于时间反转镜技术进行了研究,以提高多目标干扰条件下,时间反转镜的检测能力和定位性能。它阐述了自适应干扰抵消技术应用于二元阵被动时间反转镜定位的基本原理,并给出了相应的处理公式。它用仿真数据验证了算法,处理结果表明:该方法可使二元阵时间反转镜检测能力提高3dB以上,同时还实现了去干扰伪峰,提高了定位精度。当然,它也指出算法的改进方向:降低运算量和合理选取参考信号。

矢量水听器在潜艇模型噪声定位中的应用研究

潜艇模型噪声源的定位可以为分析潜艇模型噪声的辐射特性提供依据,进而评估潜艇模型噪声的优劣,并对其性能加以改进。利用水听器阵列可以对潜艇模型噪声定位,但对于低频辐射噪声,水听器阵列的孔径会很大。在漳河水库,利用矢量水听器测量了潜艇模型的辐射噪声,并利用复声强器估计了辐射噪声的方位,从而为矢量水听器在潜艇模型辐射噪声测量中的应用提供了一个范例。

被动定向浮标阵卡尔曼滤波目标跟踪研究

文章研究利用被动定向浮标阵定位跟踪水下机动目标的方法,基于卡尔曼滤波(Kalman Filter, KF)原理提出一种定位跟踪滤波器的具体实现方法。该方法能够整合多枚浮标现在及过去有误差的测量数据,提高定位精度,同时连续输出水下目标运动参数估计从而锁定目标运动轨迹。该方法实现的关键在于建立水下目标与浮标阵的数学迭代运算模型,包括状态空间的动态与观测过程。由于被动定向浮标阵目标跟踪是一个非线性估计问题,而卡尔曼滤波器是线性的,因此文章设计了近似的线性观测方程以利用卡尔曼滤波来解决这个问题。通过计算机仿真研究该滤波器的跟踪效果并与最小二乘法进行比较,估计精度明显高于最小二乘法。同时通过仿真验证该滤波器可以自适应跟踪目标的非稳态运动过程。该方法在工程实践上具有一定应用前景与指导意义。

水声基阵声学隔板声屏蔽性能研究

针对水声基阵艉部噪声屏蔽问题,设计了一种新型复合结构声学隔板装置。在仿真计算的基础上,采用声学隔板和声基阵,组建了试验装置,应用水声换能器综合参数测试系统和声呐信号处理系统,在开阔水域对声学隔板屏蔽水声基阵的声场特性进行了试验研究。试验结果表明,设计的声学隔板对声基阵艉向噪声遮挡效果与计算结果相吻合,屏蔽角满足声基阵观察范围,验证了设计的声学隔板满足声基阵艉部噪声控制。

海底沉积物声学特性研究进展与探讨

海底浅表层沉积物的声学特性是海洋声学研究的热点问题之一。为了准确呈现沉积物声学研究目前存在的问题,探讨该领域未来的研究方向,本文从饱和沉积物和含气沉积物2个方面出发进行研究。结合近十年来开展的研究工作和国内外相关领域的研究成果,分别概述了每个方面的理论(或模型)研究、实验观测、理论(或模型)验证的研究进展,分析了每个方面存在的问题及成因,总结出沉积物声学未来需要开展的3项重要研究内容。研究表明:实验室可控条件下的饱和沉积物低频声学特性研究,足够宽频带内的声速和衰减系数的系统性验证及气泡共振频率附近高含气量沉积物声速频散特性研究。

基于分布式光纤传感的长大桥健康监测应用研究

本文提出采用布里渊光时域分析技术,在某长大桥的行车方向布设传感光缆,通过荷载对比、长期应变监测等试验,实现桥梁纵向整体的线性应变测量。结果证明该技术既突破了传统点式传感器的空间连续监测瓶颈,实现分布式连续应变测量,又能用于桥梁车流荷载信息的监控及趋势预测等,对桥梁等重大结构的健康监测具有重要意义。

声学释放器密封性能的有限元分析及试验研究

应用有限元软件建立声学释放器动密封结构的有限元模型,分析在2500m水压载荷作用,不同压缩率下的Vonmises应力、接触压力分布,优化密封结构,并通过静水压力试验检验动密封结构的可靠性,为释放器密封结构的进一步设计、优化、寿命预测、可靠性分析等提供理论支持。