声学学报杂志

声学学报杂志2015年第4期

• 水平变化波导中两种耦合简正波方法的比较与分析

  秦继兴,骆文于,张仁和,杨春梅,

  分析比较了处理水平变化波导中声传播问题的两种耦合简正波方法:DGMCM(Direct-Global-Matrix Coupled-Mode Method)和CCMM(Consistent Coupled-Mode Method)。首先,两种方法都提供声场的双向解,具有很高的计算精度。其次,DGMCM和CCMM中本地垂直模式序列均具有较快的收敛速度,但DGMCM比CCMM需要较少的水平分段数。再次,两种方法通过求解不同的耦合简正波系统得到声场解,但求解过程中所需参数的计算量基本相同。另外,DGMCM能够处理某些CCMM不容易解决的问题,如海底形状不平滑,线源在斜坡海底上方,以及多声源问题。在DGMCM方法中给出了双层波导问题的耦合矩阵解析表达式,还推导更新了CCMM模型,使其能够处理二维线源问题。

• 水下航行器噪声源分布位置估计的瞬时频率变化率算法研究

  杨龙,杨益新,徐灵基,孙超,田丰,

  使用单个传感器实现水下航行器纵向分布噪声源位置的估计。应用传感器接收的多普勒信号瞬时频率变化率具有极值性的特点,通过推导并定义一种时间-频率变化率分布(L-相位分布),给出其有效离散迭代算法,能够提取出多普勒信号的瞬时频率变化率曲线,得到该曲线极值点位置的估计值,并结合水下航行器的航速,可以估计出线谱噪声源在航行器上纵向的分布位置。海试数据给出了105 Hz,220 Hz和500 Hz等三种线谱噪声源的位置估计误差,其定位误差均不超过2.5 m,表明该方法对于中低频率噪声源具有较高的位置估计精度。

• 参数未知的舰船辐射噪声检测方法

  张晓勇,罗来源,

  舰船辐射噪声的检测方法已有广泛研究,其中线谱特征是检测的重要依据。基于线谱特征的舰船辐射噪声检测方法常需要线谱数目、频率等参数作为检测的先验信息,这些信息不准确或无法确知时,检测方法的性能会受到显著影响。针对实际应用中对于未知舰船无法获得其参数信息的情况,研究基于连续谱谱峰特征的更为一般性的信号存在性检测方法。将窄带信号瞬时频率分析的思想扩展到舰船辐射噪声这类宽带信号,从信号频率与能量分布的角度推导得到宽带信号"瞬时频率"的近似表示式。构建宽带信号的瞬时频率检测器,并对其性能进行理论分析,结果表明该检测器的性能主要受舰船辐射噪声瞬时频率方差以及接收信噪比影响。通过计算机仿真和实际数据对算法的性能进行了验证。

• 水声多输入多输出信道的分布式压缩感知估计

  周跃海,伍飞云,童峰,

  多输入多输出技术通过采用多个阵元进行多发多收空间复用信道可在极其有限的通信带宽下实现高速水声通信,但由于同时存在通道间干扰和多径干扰,水声MIMO信道估计变得困难。提出利用MIMO水声信道多径稀疏结构存在的相关性,在经典联合稀疏模型的基础上对MIMO观测矩阵进行重组,从而建立基于分布式压缩感知的单载波水声MIMO通信信道联合稀疏模型;同时,针对信道响应中具有相同多径位置的稀疏部分和特有稀疏部分设计区分性正交匹配追踪算法进行联合重构,进一步抑制通道间干扰的影响。最后通过仿真和海上实验进行本方法有效性的验证,实现16 kbps的MIMO水声通信。通过算法推导、仿真和实验可得到结论:利用MIMO水声信道多径相关性进行分布式压缩感知估计可提高估计性能。

• 虚拟时间反转镜啁啾率键控的水声多用户通信

  袁飞,林晓阳,程恩,

  针对频率选择性衰落严重的浅海信道多用户通信问题,提出了一种虚拟时间反转镜(VTRM,Virtual Time Reversal Mirror)啁啾率键控(CRK,Chirp-Rate Keying)的水声多用户通信方式。该算法采用啁啾信号作为载波,接收端利用啁啾信号中心频率与分数阶傅里叶变换域的关系还原出原始信息,并使用虚拟时间反转镜技术减少了多径环境对系统的影响,采用啁啾调频率分集作为多址接入方式。在10 kHz的带宽内,可支持4个用户进行可靠通信,每用户通信速率425 bps。水池及海洋实验结果表明:该算法能够有效地传输数据,并且误码率在10^-3数量级以下。

• 钢轨裂纹伤损声发射源的建模仿真与特征分析

  章欣,冯乃章,王艳,沈毅,

  高速铁路的发展对钢轨的安全性提出了特殊要求,因此对钢轨内部裂纹的特征分析具有重要意义。为了研究钢轨内部裂纹声发射源特征,对钢轨中不同类型、深度和传导距离的裂纹声发射源进行了分析.采用有限元方法建立了钢轨模型并通过实验验证,然后结合小波方法和瑞利-兰姆方程分析了裂纹声发射源的特征。结果表明:钢轨中不同类型和不同频率特征的声发射源能够利用声发射模态之间的强度比率来识别;轨腰深度上的声发射源具有统一的模态特征,而轨头和轨底的声发射源则具有复杂的模态特征;同时,不同类型声发射源在钢轨中的传导特征差异明显。研究结果对利用声发射技术进行钢轨裂纹检测提供了指导,可作为实际应用的重要参考。

• Q235钢板局部腐蚀声发射信号特性研究

  于洋,杨平,杨理践,梁春宴,

  为解决腐蚀声发射源特征提取和识别的难题,直接从理论上证明了腐蚀声发射监测的有效性并推导出声发射信号特征。气泡破裂声发射信号幅值近似与气泡半径平方和液位高度成正比,频率与气泡半径成反比;钢板及其腐蚀产物开裂声发射信号幅值与开裂位置局部应力强度成正比,频率与裂纹扩展速度成正比,与裂纹扩展距离成反比。用低频和高频两套声发射系统,同时长时间监测Q235钢板在10%FeCl₃·6H₂O、10%FeCl₃·6H₂O加0.01 mol/L HCl混合液、5%CuSO₄·5H₂O溶液中的腐蚀情况,辅以监测钢板及钢板腐蚀产物开裂作为验证实验。通过对声发射信号的参数及谱分析,得出不同声发射源可以通过撞击数及功率谱在频域的分布来有效区分。实验结果与理论分析相吻合,研究结果对腐蚀声发射监测技术具有重要指导意义。

• 长骨裂纹宽度和角度对低阶超声导波的影响

  刘丹,许凯亮,他得安,

  超声导波检测长骨骨折和监测骨折愈合已成为一种极具前景的课题,但高频厚积下导波多模式混叠带来的模式识别和分离问题一直是一个难点。为避免上述问题,在低频下仅激励两个低阶兰姆波SO和AO模式,采用二维时域有限差分(2DFDTD)法定量分析裂纹宽度和骨折角度对SO和AO幅度的影响。结果表明,SO与AO模式的幅度均随裂纹宽度的增加而下降;AO的幅度随骨折角度增大而上升,SO幅度随骨折角度增大先下降后上升,转折点约为45°。SO与AO的幅度比值在不同骨折角度下均能较好地表征裂纹宽度的变化,可为横断型和斜切型长骨骨折状况的超声评价及骨折愈合监测提供依据。

• B模式实时成像定量监控超声空化时空行为的研究

  陈楚怡,于洁,陈功,马勇,郭霞生,屠娟,章东,

  提出一种采用B超图像实现高强聚焦超声(HIFU)治疗时声空化的时空量化监控的方法。首先,采用B模式实时成像系统对不同声辐照能量下的HIFU在凝胶仿体中引发的超声空化进行实验监测;接着,利用二维数字图像处理算法消除高强聚焦超声(HIFU)在B超图像中产生的干涉条纹,并在此基础上,对B超成像中观察到的高亮区域的面积变化情况进行量化分析;最后,进一步讨论了驱动声压或脉冲宽度对超声空化产生的高亮区域的生成速度和面积大小的影响。结果显示该方法可以有效去除B超图像中的干涉条纹,并对HIFU引发的空化现象进行实时监测。实验结果还表明辐照声能量的提高将引发更强烈的声空化行为,并且显著缩短HIFU引发的空化泡群的初始生成时间。研究结果对进一步优化HIFU治疗有重要意义。

• 有限长号筒中非线性声传播的数值模拟研究

  侯薇,潘浩然,宋卫华,景晓东,孙晓峰,

  研究了大振幅活塞声源经有限长号筒向外辐射声波的非线性声学问题。采用具有频散保持特性的高精度计算格式求解了适用于变截面管道的一维非线性声场模型,并考虑到声波的非线性畸变及管口处的声反射,加入了宽频时域声阻抗边界条件。宽频阻抗模型的共轭复数系数采用优化拟合方法近似求解,并采用递推卷积算法快速求解出时域声阻抗。在弱非线性条件下模拟指数形号筒中的声传播取得了与已有实验相一致的结果,表明模型能够描述声波非线性畸变带来的宽频特性。进而采用本模型数值模拟了大振幅活塞声源在双曲形、锥形、指数形和正弦形号筒中的非线性声传播问题,结果表明号筒出口声压级受活塞振动速度、频率以及号筒形状的影响,并分析讨论了波形畸变与号筒几何形状之间的关系。

• 填充系数对脉冲爆轰发动机爆轰噪声影响的实验研究

  许桂阳,翁春生,李宁,吕晓静,

  为探索不同填充系数下气液两相脉冲爆轰发动机爆轰噪声特点,搭建了能够准确调节气液两相脉冲爆轰发动机填充系数的噪声测试实验系统,对800 mm和3000 mm处不同角度下脉冲爆轰发动机爆轰噪声特性进行了研究。结果表明,随着填充系数的增加,冲击噪声幅值与射流噪声幅值随之增大,但射流噪声幅值与冲击噪声幅值的比值降低;在爆燃与爆轰的转折点,冲击噪声幅值与射流噪声幅值显著增加;爆燃阶段下的冲击噪声幅值与射流噪声幅值增加速率小于爆轰阶段;随着距离的增加,填充系数对冲击噪声与射流噪声的增强作用有所减弱,冲击噪声的衰减速度快于射流噪声;随着填充系数的增加,当距离较小时指向性明显,当距离较大时指向性不明显。

• 双层加筋结构有源隔声物理机制研究

  马玺越,陈克安,丁少虎,张冰瑞,

  深入分析双层加筋结构有源隔声的物理机制有助于控制系统的优化设计。用模态叠加法和声振耦合理论对双层加筋有源隔声结构建模。在辐射加筋板声功率最小的控制条件下,从模态耦合的角度对有源隔声的物理本质进行了详细阐述。分析结果表明,由于双层加筋板中筋的耦合作用影响,系统的声能量传输规律及有源隔声机理与现有的模态分析结论相比均发生改变。结合筋的耦合影响,对空腔声场的模态抑制与重构机理进行修正和补充,清晰解释了双层加筋结构有源隔声的物理本质。

• 用于空气声测量的质点振速传感器

  赵龙江,冯杰,冯晖,周瑜,侍艳华,

  矢量传声器的核心组成器件是质点振速传感器,该传感器具有与频率无关的‘8'字指向性。本文在分析空气声质点振速传感器工作原理基础上,采用数值分析方法系统研究了质点振速传感器中敏感头桥式结构尺寸、热扩散和材料比热容等参数对频率响应的影响,着重分析了质点振速传感器最优灵敏度和低通滤波器效应。根据优化设计结果,采用MEMS工艺技术加工出敏感头桥式结构,并测试了0℃条件下Pt的电阻值<i>R</i>和热阻温度系数<i>θ</i>,以及传感器的频响曲线和‘8'指向性。实验结果表明:空气声质点振速传感器具有良好的声学性能。

• 稀疏低秩噪声模型下无监督实时单通道语音增强算法

  李轶南,张雄伟,贾冲,陈亮,曾理,

  针对现有基于字典学习的增强算法需要先验信息、不易实时处理的问题,提出一种便于实时处理的无监督的单通道语音增强算法。首先,该算法将无监督条件下背景噪声的建模问题转化为带噪语音幅度谱的稀疏低秩噪声分解;然后,采用增量非负子空间方法对背景噪声进行在线字典学习,获得能够体现背景噪声时变特性的自适应噪声字典;最后,利用所得的噪声字典,采用易于实时处理的逐帧迭代方式,对带噪语音进行处理。实验结果表明:相较于多带谱减法和基于低秩稀疏矩阵分解的增强算法,所提算法在噪声抑制方面的性能尤为显著,在多项性能评价指标上,均表现出更好的结果。