大功率超低频膜结构电磁声源振动特性研究

膜结构电磁式声源具有体积位移大、超低频声场可控、适装性佳等显著优势,在扫雷声源方面具有广阔的应用前景。辐射膜是声源核心振动部件,研究辐射膜的振动特性对于电磁声源的设计及应用具有重要意义。研究了一种膜结构电磁声源振动特性的解析方法。首先,建立真空中电磁声源圆环膜自由振动的解析模型。其次,采用分离变量法求解得到真空中圆环膜自由振动的固有频率和振型,通过与文献数据对比及有限元仿真验证了理论解的正确性。然后,分析了不同边界条件下和圆环膜半径的变化对膜在真空中的振动特性的影响。最后,考虑声源实际水下工况粘性液体负载与内部填充压力的影响,得到了电磁声源实际工况中不同尺寸圆环膜低频强迫振动的幅频特性与声源振动体积位移。所提方法可较准确地反映实际工况下电磁声源振动特性与声辐射能力,可为大功率电磁声源的设计和结构优化提供重要参考。     

组合式水下等离子体声源控制平台设计

组合式水下等离子体声源作为一种多电极的水下脉冲声源,可以通过电子线路程控发射来实现脉冲声波基频调节和多波束聚焦等功能,因此可用于海洋地震勘探和水声对抗等领域。自主设计和开发了一套组合式水下等离子体声源的智能控制平台,平台由PC机显控软件和硬件控制机箱组成,除可以同时实现对多个水下等离子体声源阵列的基本充放电控制和状态监测外,还可以实现声源装置声波基频可调和能量聚集等控制。控制机箱采用智能集成芯片FPGA及其外围电路来实现各种接口控制和充放电控制,同时加入一些必要的保护电路。采用MFC设计的PC机显控软件能够根据具体需求灵活地设置声源装置充电电压的大小、充电速度的快慢和触发放电方式,同时还能实时监测声源装置充放电过程中的电压和电流变化等情况。经过水池和湖上试验验证,本控制平台能同时控制9个水下等离子体声源通道工作,每个通道的充电电压控制范围为0~25 kV,充电电流控制范围为0~24 mA,拥有单次、齐射、连射和聚焦4种放电触发模式,触发脉冲边沿和间隔分别达到微秒级和毫秒级控制,能够安全有效地进行远程智能控制和实时状态监控。     

两种基于贝叶斯点估计理论的多声源定位方法研究

海洋环境参数失配是制约匹配场定位性能的主要因素之一。为了克服环境失配,本文基于贝叶斯理论,将环境参数与声源的距离和深度一起作为未知量进行反演。然而在进行多声源定位时,反演参数的维数几何增长,极大地增加了反演问题的复杂性和计算量。为此本文将声源强度和噪声方差表示成其极大似然估计值,从而将这些参数进行隐式采样,大大降低了反演的维数和难度。文章比较了两种贝叶斯点估计方法,最大后验概率密度方法和最大边缘后验概率密度方法。最大后验概率密度方法的解是令后验概率密度取得最大值的参数组合,可以利用优化算法快速获得。最大边缘后验概率密度法将其他参数积分,得到目标参数的一维边缘概率分布,分布的最大值为反演结果。该方法得到最优估计值的同时可以获取参数估计的不确定信息。在环境参数和声源参数都未知的情况下,利用蒙特卡洛法在不同信噪比情况下对两种声源定位方法进行分析,实验结果表明：(1)对于敏感参数,如声源距离、水深和海水声速,最大边缘后验概率密度法比最大边缘后验概率密度方法的性能好。(2)对于较不敏感的参数,如海底声速、海底密度和海底声衰减,当信噪比较低时,最大边缘后验概率密度方法能较好地平滑噪声,从而比最大边缘后验概率密度法具有更好的性能。由于声源距离和深度是敏感参数,研究表明最大边缘后验概率密度法提供了一种在不确知环境下更可靠的多声源定位方法。     

海上风电打桩水下噪声测量及其对大黄鱼的影响

海上风电场建设期风机打桩会产生高强度的水下噪声,研究水下冲击打桩噪声的监测方法、特性分析及对海洋生物的影响是非常重要的。采用自容式水下声音记录仪,多点同步测量了福建省兴化湾海上风电场二期工程建设期单次完整的水下冲击打桩噪声,从时频域特性进行了分析,并利用最小二乘法拟合得到了打桩声源级和声暴露级。结果表明：水下冲击打桩噪声是典型的低频、高强度的脉冲信号,单个脉冲持续时间约90~100 ms,峰值声源级约209.4±2 dB,声暴露级约197.7±2 dB;主要能量分布在50 Hz~1 kHz频段,750 m测量点的该频段声压级相比海洋环境背景噪声,提高了约40~50 dB。水下冲击打桩噪声频域能量分布与大黄鱼的听觉敏感频段相重叠,对大黄鱼影响程度和范围较大,实际工程应用中宜采用声暴露级作为评价指标。     

二维透声窗遮挡损失计算方法研究

为了水下探测和声对抗,舰艇艏部舱室通常安装主动声呐设备,声呐发射声波经由透声窗向外传播,因此,开展透声窗声学特性的相关研究具有重大现实意义。为解决实际工程中透声窗透声性能计算较困难这一问题,一种用于快速预报透声窗的遮挡损失的解析–数值混合方法被提出。该方法用球谐波展开法和叠加原理求解阵列活塞声源声场,得到声激励下透声窗模型表面的声压和法向振速,进而利用COMSOL的Kirchhoff-Helmholtz模块通过再辐射的方法求解模型的遮挡损失。最后,建立了一个二维透声窗模型,分别采用解析–数值混合方法和纯有限元法计算了其全方位的遮挡损失,验证了该方法的准确性、有效性。     

北海狮水下声信号类型分析

以水族馆内圈养的北海狮为研究对象,利用长达29 h的连续被动声学观测数据,对北海狮水下声信号类型进行了研究。共检测出22 689个水下声信号,对时长、最小频率、最大频率和峰值频率这4个声学参数采用聚类分析方法将信号分为10种类型:单脉冲(SP)、哨声(WS)、咕咕声(GG)、咚咚声(DS)、狗吠声(BK)、吼叫声(WY)、嗡嗡声(BZ)、撞击声(BG)、单频声(SF)以及咩咩声(BT)。该分类方式涵盖了北海狮92.6%的水下发声。北海狮水下声信号时长的均值为5~1 244 ms,峰值频率一般小于10 kHz。10种类型信号的占比各有不同,BK,BT和BG信号的比例较高;SP,WS和BZ信号的比例次之;DS,WY,SF和GG信号的比例较低。对北海狮水下声信号类型的分析能帮助了解北海狮的声行为特征,对野外北海狮的声学观测具有重要的指导价值。     

基于WOA13数据的海区位置对北大西洋声波导影响分析

应用WOA13季节平均数据和BELLHOP模型,在季节、声源频率等因素确定的情况下,分10 m表面声源和250 m水下声源,分析北大西洋冬季东、西部海区的声波导情况。在给出不同海区位置的声速场和声波导具体信息的基础上,研究其规律:最小声速值和声道轴深度由直布罗陀海峡向外递减扩散,表层声速值和声速梯度由南向北递减,声跃层存在于低纬度海区,混合层在低纬度通常在100 m以内,在高纬度增加至100 m以上。10 m深度表面声源的汇聚区反转深度随纬度增加逐渐减少,西部海区深于东部海区;西部海区的汇聚区跨度大于东部海区,东西部跨度最大值出现在25°N和15°N,传播损失基本一致。250 m水下声源的汇聚区反转深度浅于10 m深度表面声源时,同样是西部海区大于东部海区,汇聚区跨度呈低-高-低规律,东西部跨度最大值出现在35°N和25°N;东部海区25°N以南、西部海区15°N以南,不同接收深度上的传播损失差异较大,以北差异较小。同时简要叙述了声影区对目标探测的影响。     

水下光谱辐射测量技术

海水中的叶绿素、泥沙、黄色物质等及其含量直接影响海水的光谱特性。此外，海洋水色遥感算法的建立及验证也离不开现场相关光学参数的测量，准确的海水现场光谱辐射测量，是提高海洋水色定量化遥感精度的重要环节。文章通过开展水下光谱辐射测量方法的讨论、仪器总体方案的设计及相应的试验的结果分析，提出了有关水下光谱辐射测量仪器构成的一些想法。     

北极冰下水平变化双声道波导声传播特性

针对北极部分海域中的双声道波导现象,研究了冰层覆盖下水平变化双声道波导中的声传播。使用微扰法推导并确定了粗糙下表面的冰层反射系数,结合Bellhop射线模型,计算并分析了实测海域中双声道波导水平变化时的声传播特性,并研究了声源深度、声源入射角以及声源频率对水平变化的双声道波导中声传播的影响规律。结果表明,在北极,深海声道中的声传播大多被限制在深海声道的上、下边缘之间;声源与水平变化的深海声道轴处于同一深度时声传播损失较小,当声源位于深海声道边界以外时,水平变化的声速剖面相比于水平不变时具有更低的声传播损失;入射角对双声道波导中声传播影响较小;随着声源频率的增加,表面声道中声传播损失也随之增大,但是对深海声道影响不明显,在相同频率下水平变化的声速剖面更利于声传播。     

珠江口低盐透镜现象的声传播特性分析

低盐透镜现象是珠江口陆架海域常见的一种中尺度现象,它的出现会影响水下声传播环境。利用南海北部陆架区的CTD资料分析了低盐透镜的结构特征,基于简正波和射线模型,建立二维波导环境,设置不同声源条件,对低盐透镜环境的声传播特性进行了研究。结果表明:低盐透镜会在海水上层形成声道,距离15 km处其传播损失较没有低盐透镜的情况小约15 dB。虽然低盐透镜声道厚度通常较小,但是较大的盐度梯度可以保证声道对声能的有效传播。当频率高于截止频率的声源置于低盐透镜内,声道效应有助于声音的远距离传播。     

基于DSP的纳机电矢量水听器定向系统设计

利用单个矢量水听器实现水下声目标方位估计,较传统标量水听器估计方法简单且容易实现.纳机电矢量水听器具有灵敏度高、低频特性好、尺度小等优良特性.基于这种新型矢量水听器,采用DSPTMS320F2812处理器实现对水下声目标方位的实时估计和显示.给出了定向系统总体和各个模块设计原理,完成了相应的硬件电路与软件实现.试验结果表明:系统能稳定地对传感器的输出信号进行采集和角度计算,并能实时显示水下声目标的方位角度.角度误差小于2°.     

海底声散射特性研究进展

海底是水下声场的重要边界,其声散射特性对水下声场空间结构及分布规律具有至关重要的影响。对目前国际上海底声散射特性研究方面的进展进行了系统的分析和总结,从海底声散射测量技术、海底声散射特性及机理、海底声散射预测模型3个方面进行了论述,并提出了未来研究的方向、研究重点与难点。该工作对于充分了解和认识海底声散射研究的目前现状和未来发展趋势具有很好的借鉴和指导意义。     

海洋中尺度涡建模及其在水声传播影响研究中的应用

针对海洋中尺度涡对水声传播的影响,利用中尺度涡区的历史水文实测数据提取涡旋强度,空间尺度等中尺度涡特征参数,建立了海洋中尺度涡理论计算模型。运用MMPE水下声场模型仿真试验研究了涡旋性质、强度和位置、声源频率和置放深度对声传播特性的影响。结果表明:暖涡使得会聚区的位置后退,会聚区宽度增加;冷涡使得会聚区的位置前移,会聚区宽度减小。涡旋的强度越大,前移或后退的效应越显著。     

基于FIO-COM的海洋声学预报系统的构建与应用

将海洋模式与声传播模型结合在一起,设计开发了一种适用于高性能计算机的全球海洋声学预报系统FIO-GOAFS,该系统以自然资源部第一海洋研究所全球0.1°分辨率海浪-潮流-环流耦合模式（FIO-COM）为基础,利用海洋模式预报的温、盐、深参数计算声速剖面,并对声速剖面进行水声环境特征诊断,之后将海洋模式与水下声场传播模型协同连接,结合地声模型（海底地形和底质参数）,实现了全球海域的水声环境特征诊断及水下声场及相关结果的预报。海洋模型提供水下声学预报所需的水体声速、海浪波高等参数,地声模型提供海底地形、底质声速、密度以及衰减等参数,通过调用海洋-声学连接模块提取声传播路径的地形及海洋环境参数剖面,实现海洋模型和声学模型的有效连接。全球海洋声学预报系统在高性能计算机上并行实现,主要包括声场计算中的频点、方位角并行以及声学预报时针对地理空间区域的并行。最后,利用该系统预报并分析了全球海域的水声环境特性及声呐作用距离的季节变化和空间分布特征,为现代声呐的设计、操作和水下应用提供参考。     

海洋中尺度涡建模及其在水声传播影响研究中的应用

针对海洋中尺度涡对水声传播的影响,利用中尺度涡区的历史水文实测数据提取涡旋强度,空间尺度等中尺度涡特征参数,建立了海洋中尺度涡理论计算模型。运用MMPE水下声场模型仿真试验研究了涡旋性质、强度和位置、声源频率和置放深度对声传播特性的影响。结果表明：暖涡使得会聚区的位置“后退”,会聚区宽度增加;冷涡使得会聚区的位置“前移”,会聚区宽度减小。涡旋的强度越大,“前移”或“回退”的效应越显著。     

海面微波辐射特性测量与分析

在对海面微波辐射特性现场测量和数据处理的基础上,结合对海面微波辐射理论的初步分析,研究了各种环境参数以及辐射计参数与海洋微波谱特性的相关关系,为海洋微波遥感 资料的分析和解译提供了基础数据。测量结果表明了辐射计参数和环境要素对海面微波辐射特性的影响,而这些影响因素在分析、解译遥感资料时是必需考虑的因素。     

环肋椭圆柱壳-流场耦合系统自由振动的解析求解方法

提出了分析环肋椭圆柱壳-流场耦合系统自由振动的一种解析求解方法。环肋通过"刚度均摊"到均质椭圆柱壳体上,考虑流场对壳体振动特性的影响,通过Helmholtz方程描述声介质的波动,建立环肋椭圆柱壳-流场耦合系统的自由振动方程,进而求得耦合系统的自由振动固有频率。为了验证方法的准确性,将水下环肋椭圆柱壳退化成水下环肋圆柱壳和不加肋的水下椭圆柱光壳,两个退化模型的计算结果与已有文献结果吻合良好。并详细讨论了椭圆度、环肋间距等主要参数对耦合系统自由振动特性的影响。     

水下目标光学隐蔽参数测量方法研究

水下目标光学隐蔽参数测量技术在光学侦察、探测水下目标等军事运用中发挥了非常重要的作用。为了改变以往使用透明度盘测量海洋光学参数方式,提高测量的效率和测量结果精准度,在分析水下目标光学隐蔽参数的基础上,设计了船载水下目标光学隐蔽参数测量方法,利用lightools软件优化光学探头设计,采用无线方式实时传输海水光学参数数据,并进行了海上实验,测量得到了海水辐照比、海水体衰减系数和漫衰减系数,完成水下目标光学隐蔽参数分析,实验证明了该测量方法的可行性和可靠性。     

江豚声学行为的观察与水下声信号的初步研究

江豚(Neophocaena phocaenoides G. Cuvier)俗称江猪,属鲸目(Cetacea),齿鯨亚目(Odontoceti),鼠海豚科,是海豚类中最小型的一种,也是我国沿海最常见的一种近岸小型无鰭鼠海豚。一般体长不超过2米,体重约30-80公斤,如图1照片所示。 江豚与其他海洋哺乳动物一祥,能发出多变的声信号,而且每一种声信号都受其生态行为的支配。发声系统是它们赖以生存的重要官能。海豚用其发射的声信号测定水下目标的距离、方位和大小,以至判断其形状,因而能有效的绕过障碍,避开或驱逐来犯之敌。依靠其声信号能更有效的捕获足够的食物,营养自身,抚育后代。声信号是海洋哺乳类动物在自然界进行生存斗争的有利武器。声信号又是海洋哺乳动物的语言,借以进行“社会”联络和通讯,甚至教育它们的后代。为此。人们把它们的这种功能称作“第六官能”(sixth sense)。 观察海兽类的声学行为,测试分析其声信号的结构和物理特性,是揭示它们的回声定位系统的机制,破译其“语言”奥密所必不可少的一步。从而将为驯养它们成为人类的水下得力“助手”提供可靠的实验方案,也将为仿生学等新的学科研究提供有效的理论依据。 本实验是为了把江豚驯养成“水下警犬”使其在海湾、河口进行人工放养鱼群的放牧,以及协助人类进行水下作业等目的而进行的基础工作,也是研究海洋哺乳动物回声定位的发射与接收机制的探索。实验工作是在一定的半自然条件下,对江豚某些生态行为下的声信号作了较详细的记录与分析。     

SD便携式水下电视的研制

本文介绍由交通部海洋水下工程科学研究院自行设计制造的SD便携式水下电视的总体性能、结构设计与计算、电控系统、照明及观测系统的参数和说明。该系统经多次工程应用,证明其结构合理、性能稳定、操作方便,是目前国内一种新型价廉的水下电视检测设备.