声学学报杂志

声学学报杂志2015年第2期

• 微穿孔板和小孔喷注——马大猷教授对声学的特殊贡献

  田静,

  微穿孔板吸声体是马大猷教授提出的一项特殊的设计技术,自上世纪80年代以来被广泛地应用在音质处理和噪声控制中。微穿孔板吸声体是一种无纤维的宽带吸声材料,它不仅能够应用在传统的建筑声学和噪声控制等领域中,更有意义的是它适用于高温、高速气流、高洁净、需要透明采光等一些极端条件下。当微穿孔板后面有一定的空腔时,它可以在低频的几个频程内具有很高的吸声系数。<br>在喷注噪声控制理论方面,马教授根据小孔喷注噪声与其压力和直径的关系,根据人的听觉生理和心理特性,提出了在气流或者蒸汽出口的颈部处设计合适的小孔结构,可以大大减少气流噪声对人的干扰作用可听声频段内的声辐射,降噪量一般来说可以达到20~60 dBA的降噪量。这就是小孔喷注理论。<br>本文回顾了马大猷教授在他学术生涯第二个春天里结出的这两颗硕果——微穿孔板和小孔喷注,关于微穿孔板在声场和声源噪声控制中的声学特性理论,主要回顾和讨论了微穿孔板结构的研究进展及其在噪声控制中的实际应用,以及小孔喷注噪声的主要能量转移到超声波频段内的物理概念,这一概念对现代喷注噪声控制的发展依然具有重要意义。

• 缅怀声学一代宗师马大猷院士（1915-2012）

  王季卿,

  <p>我国声学界一代宗师马大猷院士离开我们已-年多了。值此台湾声学学会26届年会暨第六届两岸三地声学交流会之良机，请允许我在此报告有关马大猷先贤的杰出事绩，共同纪念我国现代声学奠基人和开拓者。颂扬他在学术上的卓著贡献，追随他的治学之道，激励后学们奋发前进。他为发展我国科学事业呕心沥血。他为加强基础研究，走自主创新道路大声疾呼。其忧国优民之心，难能可贵，令人钦佩不已。</p>

• 水下目标被动测距的一种新方法：利用波导不变量提取目标距离信息

  李启虎,

  水声学中波导不变量的研究是近30年来引人注目的课题之一。水下目标辐射噪声的直达波和海面、海底反射波之间的干涉现象中隐含有下水目标的距离信息。提取这种距离信息就为水下目标的被动测距提供了一种新的途径。理论分析和实际海试都证明,甚至单水听器的LOFAR(Low Frequency Analysis Record)图都隐含着目标的距离和运动信息。本文给出利用波导不变量提取目标距离信息的理论推导,证明了在形成干涉条纹的外界条件具备时,利用多个水听器构成的基阵也能以较大增益提供目标距离信息。虽然组成基阵的每一水听器出现干涉条纹的条件是有差异的。这种差异在波束成形时可以加以利用和补偿。本文提出的理论和部分仿真、海试结果为水下目标被动测距和目标识别提供了一种新的途径。

• 浅海中利用单水听器的声源被动测距

  戚聿波,周士弘,任云,刘建军,王德俊,冯希强,

  针对浅海声波导中远距离脉冲声源被动测距问题,提出了一种利用单水听器接收信号自相关函数进行warping变换的声源被动测距方法。理想水下声波导中,接收信号warping变换输出的傅里叶变换频谱中具有不变性频率特征,即与声源距离无关的各简正波截止频率;信号自相关函数中不同简正波相干成分也存在不变性频率特征;推导了未知声源距离时特征频率提取值与不变性频率特征之间的近似关系式。这些规律可推广到实际浅海声波导,并用于声源被动测距。利用声场计算模型来提供具有不变性频率特征的频谱,对2011年12月北黄海海域水声实验中单水听器接收的脉冲声数据进行了处理,验证了方法的有效性,测距结果和实际距离符合良好,平均测距误差在10%以内。

• 一种适用于大测绘带合成孔径声呐的运动补偿方法

  张鹏飞,江泽林,刘维,刘纪元,张春华,

  当合成孔径声呐测绘带较大时,运动误差的空变效应严重,经典的相位中心重叠算法难以适用。为此,提出了一种适用于大测绘带合成孔径声呐的运动补偿方法。首先使用混合调制的拉格朗日时延估计算法对前后两帧回波的时延进行估计,之后使用线性回归方法拟合出运动误差,最后利用运动误差的估计值对回波进行逐点精确补偿。仿真数据的结果表明,该算法能够获得比相位中心重叠算法更好的运动估计结果,运动补偿后成像分辨率接近理论分辨率。使用该算法分别对高、低频合成孔径声呐的湖试数据进行了处理,水下地貌和小目标的成像质量均有明显提高。

• 虚拟接收目标定位技术中引导声源对目标声源的信噪比补偿

  姚美娟,鹿力成,马力,郭圣明,

  目标声源的低信噪比是目标定位技术中的瓶颈。在浅海近似均匀环境中,利用虚拟接收方法对声源测距的目标定位方法相比于传统的匹配场定位方法可以避免对环境参数和声场模型的依赖,同时省去生成拷贝场时的大量计算。通过数值模拟和实验数据处理,比较了在虚拟接收方法声源测距中不同信噪比的引导声源对目标声源测距的结果。提高引导声源的信噪比,可以一定程度上提高于涉条纹清晰度,从而提高测距准确度。提高引导声源的信噪比可作为目标声源的信噪比补偿是利用虚拟接收方法的目标定位技术的又一个优点。

• 海洋信道随机性引起的船舶噪声线谱衰减

  蒋国健,林建恒,孙军平,高鑫,衣雪娟,江鹏飞,蒋东阁,

  阐述准周期性随机声脉冲序列作为船舶噪声模型的普适性,侧重讨论船舶噪声准周期性随机声脉冲序列所产生的线谱经随机海洋信道传输后的变化。指出在大多数工况下,船舶噪声并不是以几种不同频率的加性正弦波直接叠加在宽带连续谱噪声上,而是一类本身并不含有任何有限强度加性正弦波分量的信号。研究结果表明:海洋信道多途效应引起船舶噪声脉冲序列信号时域上时延扩展;海洋信道的随机性使船舶噪声随机声脉冲序列信号准周期性下降,导致船舶噪声线谱相对幅度“额外”快速衰减,对于存在大范围不均匀水团的海洋信道,50 km传播距离上其介质随机起伏引起的船舶噪声线谱“额外”衰减最高可达11 dB。海洋信道随机性引起的船舶噪声线谱衰减不可忽视。

• 利用分频带空间谱和波束域的输出直流跳变与起伏比值融合检测未知线谱目标

  戴文舒,陈新华,孙长瑜,余华兵,

  目标辐射噪声中高强度稳定线谱可以用来提高常规宽带能量积分的检测性能。理论分析了已知线谱检测优于宽带能量积分检测的谱级比条件。给出了线谱频带可检测条件下,线谱谱级与最小可检测信噪比关系。分析分频带空间谱和波束域的输出直流跳变与起伏比值特征。在此基础上提出了一种构造频率、方位滤波矩阵的方法。该矩阵作用类似频带方位滤波器,通过对线谱频带目标方位的信号放大,与其他频带判决结果融合,来提高常规宽带能量积分的性能。最后给出该算法适用条件和性能分析。数据仿真和海试数据处理结果可知,该算法在多干扰源存在下对弱线谱目标提取能力强,且不需多帧统计,在检测效果上更接近于理想的窄带线谱检测方法。

• 一种最差情况下性能最优化的特征分析自适应波束形成方法

  郭鑫,葛凤翔,任岁玲,郭良浩,

  自适应波束形成在弱目标检测和空域滤波中应用广泛。然而在实际海洋环境中,失配情况比较普遍,往往会导致传统自适应波束形成方法性能明显下降。针对此问题,本文基于特征分析重构观测信号协方差矩阵来抑制干扰对弱目标检测的影响,在此基础上进一步利用凸优化算法来提高波束形成方法的鲁棒性。数值仿真和海试数据处理结果表明,本文所提方法在抑制干扰对弱目标影响的基础上,在阵元位置平均误差不超过入射信号中心频率对应波长的40%的情况下,仍可以鲁棒地检测目标信号。同时,该方法显著提高了自适应波束形成方法的输出信干噪比,且受对角加载量取值的影响较小。

• 海底密度梯度对底回波信号空间相关特性的影响研究

  李丹丹,王长红,赵二亮,邱薇,

  研究了海底表层沉积物的垂直密度梯度对底回波空间相关特性强度的影响。底回波散射截面与空间相关特性间的关系为:随入射角的增大,回波散射截面下降得越快,底回波空间相关特性越强。因此,将密度-深度模型引入海底高频回波模型进行回波仿真,计算回波的空间相关函数,通过分析密度梯度对底回波散射截面大小的影响,考察其对底回波空间相关特性强度的影响。从仿真分析结果可以看出,海底表层沉积物密度梯度对空间相关特性的影响较为显著,随着密度梯度的增大,回波散射截面变大且随入射角的增大下降趋势变快,空间相关半径变长,空间相关特性变强。

• 深海近距离声场频率-距离干涉结构反演海底声学参数

  翁晋宝,李风华,郭永刚,

  地声反演一般存在多解性的问题,不易有效分离沉积层声速与厚度,本文提出了一种当声源与接收水听器分别位于海面与海底附近时匹配声场干涉周期反演深海沉积层声速与厚度的方法。该声场周期结构由直达波与海底沉积层反射回波干涉形成,其干涉周期受沉积层声速和厚度影响,通过匹配实测与理论计算的声场干涉周期可有效反演沉积层声速和厚度。开展了深海实验验证,利用水听器接收到的近距离船舶噪声的声场干涉条纹,反演得到的实验海域海底沉积层声速与该海域海底表层采样平均值差小于20 m/s。数值仿真与实验结果表明该方法可以有效反演沉积层的声速与厚度。

• 浅海空气声入水传播特性分析

  孙炳文,郭圣明,胡兵,才振华,

  结合射线和波数谱积分方法,对空气声入水传播途径进行了分析,利用海上试验数据进行了比较检验。结果表明,在浅海环境中,对水下声场有主要贡献的空气声入水传播途径,主要是透射穿过海面边界的折射直达声以及后续的海底反射声途径,其中折射直达声途径的贡献主要集中在声源正下方附近区域,当距离较远时,由于声线扩展损失效应以及直达声影区两方面的限制,折射直达声传播损失显著增加,对接收声场起主要贡献的是可以到达更远水平距离上的海底反射声,包括海底海面多次反射声。

• 海底表层声场垂直衰减分析

  张波,李风华,郭永刚,

  声波在海底中的传播衰减规律是海洋声学中值得研究的课题。根据简正波理论推导了高声速海底表层声场垂直衰减系数的解析表达式,并给出了其理论上限。数值仿真与实验研究表明:对液态海底模型,海底表层声场垂直衰减系数与声波频率基本呈正比;对于特定频率,海水-海底声速比是影响垂直衰减系数的最主要因素,比值越小垂直衰减系数越大;对于斜率较大的楔形海底地形,且声源在深水区、接收点在浅水区的情形,垂直衰减系数会大大小于其理论上限。

• 圆柱空腔上裂纹的爬波检测方法

  王小民,安志武,廉国选,

  通过牛顿迭代法求解了固体内部圆柱空腔上爬波的频散方程,分析了爬波的频散和衰减特性。利用动态光弹法显示了爬波的直观图像和圆柱空腔附近各散射波的空间关系。根据爬波具有的频散、衰减以及辐射横波特征,设计了斜入射脉冲回波实验装置,测量了特定位置处裂纹反射爬波辐射出的横波信号,其与柱面反射波的时差和理论预测一致。进一步实验研究发现,爬波回波幅度与特定位置的裂纹长度具有近似单调的对应关系,在裂纹长度较大时,回波幅度趋于稳定。以上工作为圆柱空腔上裂纹的爬波定量检测提供了物理基础和实现方法。

• 表面裂纹对掠入射垂直偏振横波散射的动态光弹实验分析

  金士杰,安志武,廉国选,张旭,王小民,

  利用动态光弹法研究掠入射垂直偏振横波(SV波)在表面裂纹处的散射声场,给出不同倾斜角度的表面裂纹引起的散射声场分布和简化波前示意图。以垂直表面裂纹为例,有限元仿真和电法测量分别直接地和间接地证明了光弹实验结果的可靠性。表面裂纹引起的各类散射波与裂纹参量密切相关且容易区分,可使用一阶散射声波到达时间反演表面裂纹的长度和倾角,实验测量值与真实值的相对误差在6%以下。

• 粗糙接触界面超声非线性效应的概率模型

  李海洋,安志武,廉国选,王小民,

  提出描述粗糙接触界面超声非线性效应的概率模型,利用分段均匀概率函数描述粗糙接触界面劲度系数变化,结合表面粗糙峰的几何分布特征,得到界面粗糙度和两侧表面相对运动对声波的非线性调制作用。实验观测了铝合金材料的粗糙接触界面的高次谐波现象和阈值现象,进一步分析了归一化非线性参数与界面加载压力、粗糙度之间的关系。实验测量结果与概率模型的理论预测一致,证明了该模型的正确性,为利用超声非线性效应评价粗糙接触界面提供了理论依据。

• 水下大功率电磁式脉冲声源设计与研究

  沐永生,姬培锋,蔡野锋,李冬冬,杨军,

  建立了大功率电磁式脉冲换能器的时变振动数学模型,利用有限差分方法得到了该模型的数值解。分析了声源的电磁参数和物理结构对辐射声压大小的影响,确定了最优的参数。设计和制作了电磁式脉冲声源,进行了性能测试。结果表明,电容充电6 kV情况下距离换能器1 m处峰值声压226 dB,中心频率25 kHz,与模型结果(峰值声压225 dB,中心频率24.5 kHz)吻合较好。进而证明了本文提出的时变振动模型可以为设计和优化大功率电磁式脉冲声源提供理论指导。

• 二维声表面波压电声子晶体在射频段的时域有限差分法

  李红浪,田亚会,柯亚兵,罗为,韦江波,何世堂,

  对二维声表面波压电声子晶体在射频段的带隙特性,进行了时域有限差分法(FDTD)理论推导和计算,并提出实验方法对比验证。FDTD计算模型考虑了压电效应,引入周期边界条件以节省计算空间和时间,采用完全匹配层以解决声表面波在截断边界处的虚拟反射问题。实验上分别设计有/无二维压电声子晶体的两种宽频带延迟线结构,测量两种延迟线的传输系数取差值,得到了二维压电声子晶体的带隙;其中通过时域加窗函数保留一次传输信号,进行干扰信号的去除。以铝/128&#176;YX-LiNbO3二维压电声子晶体为例,该FDTD方法、商业有限元软件COMSOL、实验方法均得到了100⁵00 MHz射频段内的多个带隙,三种带隙对比证明了FDTD计算带隙与实验测量带隙一致,比COMSOL计算的计算带隙精度更高。

• 压电基片与金属点阵厚度对行波模式声表面波陀螺仪检测灵敏度的影响

  邵秀婷,王文,刘鑫璐,梁勇,何世堂,

  过低的灵敏度性能一直是声表面波(SAW)陀螺仪的瓶颈问题,对此,提出了一种结合金属点阵用以改善陀螺效应的新型行波模式SAW陀螺仪,并对其性能进行了评价。该结构由双延迟线型振荡器构成,两延迟线平行且反向制作于同一压电基片上,在延迟线的声传播路径上分布铜点阵。结合层状介质中声波传输特性的研究方法分析了两种压电晶体材料、不同金属点阵膜厚对传感器响应的影响,从而为确定陀螺仪的设计奠定理论基础。基于理论计算结果,研制了以128&#176;YX LiNbO3及X-112&#176;Y LiTaO₃为压电基片,铜点阵厚度分别为33000 &#197;,6000 &#197;,9000 &#197;的95 MHz声表面波陀螺仪。为改善振荡器的频率稳定性,延迟线采用了具有梳状结构的单相单向换能器结构。振荡器的测试频率稳定度达到了&#177;5 Hz/h。利用精确速率转台对所研制的SAW陀螺仪性能进行了测试。测试结果表明:采用机电耦合系数较高的128&#176;YX LiNbO₃基片并增加金属点阵厚度均能有效提高陀螺仪的检测灵敏度,所获得的最大检测灵敏度为2.7 Hz/(deg/s)。

• 利用回波相干性的医学超声成像相位畸变校正方法

  夏新源,李平,吴文焘,孟晓辉,

  为了提高相位畸变条件下的医学超声成像的横向分辨率和对比度,提出了一种利用回波信号相干性的校正方法。首先给出平均相干系数的概念,并将其作为相位误差校正的度量,然后通过最大化平均相干系数逐步校正各个通道的延时误差,最后再利用经过校正的数据计算出一组新的相干系数并对回波信号进行加权优化,从而得到最终用于成像的数据。对点散射目标及斑散射目标的仿真结果分别显示,利用所提出的方法横向分辨率提高了约0.24 mm,对比度提高了约18 dB,且要优于邻近阵元互相关方法和相干系数直接加权的处理方法。利用回波相干性的相位畸变校正方法结合了相位误差校正和加权处理的优点,可以有效地改善医学超声成像的质量。

• 腭裂语音中齿龈塞音的声门代偿现象声学分析与判定

  肖彦,冯勇强,赵庆卫,马莲,钱靖,颜永红,

  对齿龈塞音在腭裂语音中的声门塞音代偿现象进行了声学分析,计算频谱分布的多阶统计量—谱矩,并将代偿塞音和正常塞音进行对比。结果显示声门塞音爆破段的第一阶谱矩即频谱质心的频率位置比正常塞音低,因为声门塞音的阻塞部位在声门,导致声道腔体偏长从而共振频率偏低。还观察到声门塞音的第二阶谱矩即标准偏差偏高,说明其谱能量分布比正常塞音更加分散。声门塞音的第三阶谱矩即偏度大多为正值,反映了声门塞音功率谱的非对称性且大头朝向低频区而长尾朝向高频区。采用逻辑回归模型进行样本分类,通过交叉验证选出最优的四阶谱矩作为模型自变量,分类正确率为89.7%。结合塞音爆破时刻自动检测,实现了音节/d<span style="text-decoration:overline">i</span>/的声门塞音客观判定。

• 谐波显著度的基频提取方法

  宋黎明,李明,颜永红,

  我们提出的谐波显著度的基频提取方法,目的是从语音信号中自动获取人声基频,该方法利用抑制因子计算出基频的谐波显著度谱,对各次谐波显著度加权求和之后进行基频轨迹跟踪确定语音的基频序列。在TIMIT掺噪数据集和音乐信息检索评测2005主旋律数据集上,谐波显著度方法的准确率分别达到了88.5%和73.3%,使倍频、半频错误相对降低了80%。实验表明,基于谐波显著度的基频提取方法增强了系统的抗噪性能以及抗倍半频错误的能力。

• 幅度调制信息对乐器识别的影响

  孟庆林,原猛,夏洋,冯海泓,

  通过乐器音自动识别实验研究了幅度调制(amplitude modulation,AM)信息对于人类乐器识别的影响。具体步骤为:依据听觉模型,提取乐器音信号中若干频带中的AM信息,再基于所得到的AM信息计算统计学特征,采用逐对比较的支持向量机法进行乐器音的机器识别。采用了5种分频带数目(2,4,8,16和32)和4种AM计算方法。结果表明,频带数的增加有助于识别效果的提高,但从16频带到32频带效果趋近平稳;不同的AM提取方法也会对识别结果产生影响,其中解析信号法产生的AM信息提供了最好的乐器识别效果。分析发现自动识别结果高于采用相似的AM信息的人类识别结果。该自动识别系统为人工耳蜗或声码器仿真声模型的乐器识别提供了一个计算模型,对人工耳蜗乐器识别实验和训练具有参考价值。

• 北京一次小震级地震前异常声-重力波产生机理的研究

  吕君,杨亦春,冯浩楠,IgorChunchuzov,滕鹏晓,

  观测到北京一次小震级地震(<i>ML</i>=3.0)前的异常声-重力波,并同时记录到异常地表倾斜信号。二者相关系数比较高,在接近震中的地区相关系数达到最大值0.5,相关系数随着远离震中的距离增大而减小。经过研究表明,异常声-重力波的产生与震前的地表缓慢活动引发的山体缓慢晃动导致的气流风速波动变化有关。基于350 m高的气象铁塔观测的风速数据,对两层大气模型传播的声-重力波进行了数值计算,得到的相对山体非平稳气流引起的声-重力波与观测信号在特征周期、幅度和速度三个参数上近似。以地表倾斜为例的模型与观测数据的一致性表明该震前声-重力波与地震存在关联性。

• 中国传统庭院戏场若干声学特征

  王季卿,

  中国传统戏场在世界建筑史中别具一格,它与现代剧院迥然不同。传统戏曲表演是虚拟化的,因此可在面积不大的亭式舞台上演出,形成三面围观的格局。这类戏场以顶面敞开的庭院形式为其主流。本文讨论了下列相关声学问题:(1)亭式舞台的演唱效果;(2)庭院式戏场的混响感;(3)不同戏场布局的声场强度(响度)变化;(4)伴奏乐队位置变迁的声学效果;(5)舞台下设瓮助声之谜剖析。

• 耦合空间的声学研究进展

  向宁,

  近年来由于混响室在演艺厅堂工程上的应用,唤发了对耦合空间声场研究的广泛兴趣。本文简短地回顾了马大猷先生对室内声学简正模态理论的贡献,对近代特别是最近15年来室内声学研究在耦合空间方面的发展,做了综述性讨论,包括简正模态分析和模态分解法、统计声学方法、几何声学方法、扩散方程、以及高分辨率实验技术和贝叶斯概率分析在耦合空间研究的应用。值马大猷先生诞辰一百周年之际,以此文缅怀德高望重的声学前辈。