声学学报杂志

声学学报杂志2015年第6期

• 简明分数阶傅里叶变换及其对线性调频信号的检测和参数估计

  陈艳丽,郭良浩,宫在晓,

  针对低信噪比下线性调频信号的检测问题,提出了一种简明分数阶傅里叶变换方法。该变换借助chirp相乘和傅里叶变换对时频平面上的频率轴进行旋转,以获取信号在各个角度下频率轴上的频谱分布。对时频分布呈直线状的线性调频信号,简明分数阶傅里叶变换能在特定角度上将信号能量聚集成尖锐的强能量峰,从而提高信噪比,实现对线性调频信号的可靠检测和参数估计。数值仿真和实验验证结果表明,简明分数阶傅里叶变换可对较低信噪比的线性调频信号实现有效检测,并由变换域峰值的位置对信号参数进行准确估计。相比于传统的分数阶傅里叶变换方法,简明分数阶傅里叶变换的复杂度更低,离散计算效率更高,在对噪声掩盖下的线性调频信号进行检测和参数估计时能更好地满足实时处理的要求。

• 应用稀疏表示的宽带相干超分辨方位估计方法

  薄连坤,熊瑾煜,罗来源,

  针对无源声呐中宽带相干处理对邻近弱目标分辨能力仍不足的问题,提出一种相干聚焦后稀疏空间谱求解的宽带超分辨方位估计方法。首先将不同频点数据相干聚焦到参考频点,构成多测量矢量稀疏求解问题,然后采用二阶锥规划内点算法进行稀疏空间谱拟合,实现了宽带弱目标超分辨方位估计。仿真试验结果表明,该方法在弱目标分辨和方位估计精度方面优于宽带非相干和相干信号子空间高分辨处理方法。32元拖曳阵海试数据的处理结果验证了该方法的优越性能,同时说明了该方法在无源声呐探测中应用的可行性。

• 非均匀海洋环境噪声中的匹配场处理舰船辐射噪声级估计方法

  向龙凤,孙超,李明杨,

  在实际舰船辐射噪声测量过程中,受非均匀海洋环境噪声的影响,导致常规测量方法的性能急剧下降,基于此,提出了一种非均匀海洋环境噪声背景中的垂直阵舰船辐射噪声测量方法。根据水声信道传播理论,建立了由海面多个空时独立均匀分布噪声源构成的非均匀背景噪声场模型,推导了非均匀海洋环境噪声场中垂直阵舰船辐射噪声估计的理论公式。针对典型的浅海水声信道,进行计算机仿真实验,分析了该方法的测量性能并与常规匹配场测量方法进行对比,结果表明:(1)该方法能有效克服非均匀海洋环境噪声对测量结果的影响,测量误差较小;(2)相同测量条件下,该方法测量性能优于常规匹配场舰船辐射噪声级测量方法;(3)当信噪比满足一定要求时,测量得到的声源级与实际声源级相比,误差小于1 dB。

• 浅海运动目标波束域波导不变量测距方法研究

  王朋,郑胜家,黄勇,刘纪元,

  波导不变量是描述海洋波导环境声信号水平距离与频率干涉结构现象的特征参量。运动目标波导不变量测距方法需要已知目标速度值,运动目标速度一般是未知的。针对这一问题,本文提出了一种利用水平线阵估计目标运动速度的浅海波导不变量测距方法。该方法通过不同时刻波束域声信号互谱分析进行声源速度估计,结合HOUGH变换提取的LOFAR图斜率和波导不变量进行运动目标测距。仿真结果表明,该方法能够有效的进行运动目标的距离估计。利用2013年7月浅海实验数据,该方法估计出了发射船的距离,并与GPS测量的距离进行对比,相对误差小于10%。

• 空气中声源的水下匹配场定位

  苏林,孙炳文,郭圣明,马力,

  通过水下布放的垂直线列阵采集空中声源在水下激发的测量声场,采用声场波数积分模型(OASES模型)对空中声源激发的水下声场建模,计算出拷贝声场,将二者进行匹配处理从而对空中声源目标定位。首先通过数值仿真验证了匹配场处理技术对空中声源的测距能力,并通过引入宽带匹配场处理器平滑掉距离上的周期性旁瓣。最后分析南海某海域的空气声试验数据,采用常规匹配场方法对700 m以内的32组空中声源目标进行定位,测距结果与GPS计算的收发间实际距离相比,大多数情况下是一致的,在较远距离由于信噪比降低,测量结果容易出现偏差。

• 矢量水听器垂直阵列数据融合高分辨方位估计算法

  陈羽,孟洲,马树青,包长春,

  为了实现矢量水听器垂直阵列对目标的高分辨方位估计,提出了基于MUSIC子频带最优加权数据融合方法。该方法采用MUSIC算法对划分的各窄带信号进行方位估计,并在各子频带对多基元方位估计结果进行最优加权最小二乘融合处理,最后通过加权直方图统计法得到最终方位估计结果。对算法进行的仿真及海上试验数据处理结果表明:本文算法在方位估计精度、方位估计正确概率、多目标分辨以及对噪声子频带的抑制能力方面都优于单个基元MUSIC以及多基元复声强器融合算法。

• Chan-Vese模型两相自适应窄带的阴影区检测方法

  王兴梅,印桂生,刘光宇,刘志鹏,

  为得到快速高精度的声呐图像阴影区检测效果,提出Chan-Vese模型两相自适应窄带检测方法。利用各向异性二阶邻域马尔可夫模型估计声呐图像的纹理特征参数,实现原始图像平滑去噪;由块方式的k-均值聚类算法确定图像的初始两类分割,初步确定阴影区大致位置,并根据此大致位置,自适应初始化零水平集函数,来减少人为干预,提高检测速度;在此基础上,提出建立Chan-Vese模型两相窄带水平集进行声呐图像检测,完成局部寻优,排除全局图像中孤立区对检测的影响,使阴影区检测结果更加精确。通过对真实声呐图像的检测实验结果分析,验证提出的检测方法能够去除原始图像的部分噪声,提高检测精度和速度,有一定的自动性和适应性。

• 吸顶式传声器阵列阵元坐标标定方法

  肖颖,杨亦春,韩宝坤,滕鹏晓,

  提出了一种吸顶式传声器阵列阵元坐标的标定方法。针对在混响声场中,时延估计算法性能严重下降从而导致在标定传声器阵元坐标时产生较大误差的问题,提出了利用脉冲声源作为标定声源,并且截取脉冲源直达声的方法来抑制混响声场的影响,提高传声器阵元坐标标定的精度。建立了阵元坐标标定的误差分析模型,并以白噪声和脉冲声源作为标定声源进行数据仿真和对比分析。仿真结果表明,使用脉冲声源作为标定声源能有效地抑制混响声场的影响,获得传声器阵列阵元的准确坐标。同时,在封闭的房间内建立起孔径为3.5 m、64阵元的螺旋状吸顶传声器阵列进行了实验研究,实验结果验证了本文提出方法的有效性。

• 消声器传递损失预测的边界元模态展开混合方法

  杨亮,季振林,WUTW,

  将边界元法和解析方法结合形成一种混合方法用于计算消声器的传递损失,消声器被划分成若干个子结构,解析方法和边界元方法被分别用于计算规则结构和不规则结构的阻抗矩阵,不同子结构之间通过阻抗矩阵连接起来。为减少计算时间,采用一种基于模态配点法的简化方法。对单级膨胀腔、双级膨胀腔和穿孔管阻性消声器的传递损失进行了计算,混合方法计算结果与解析方法和三维数值方法计算结果吻合良好。分析了混合方法的计算效率并与传统子结构方法进行了比较,混合方法能明显节省计算时间。

• 湍流边界层激励下腔体内水动力自噪声预报与测量

  刘孝斌,吕世金,俞孟萨,

  循环水槽中试验测量了腔体内水动力自噪声,并与模态法建立的湍流脉动压力引起腔体自噪声预报进行比较验证。透声窗振动以简支边界为条件,腔体内部声波以刚性边界为条件模态展开,通过辐射边界条件建立模态耦合振动方程。在随机湍流脉动压力作用下,推导了模态振动方程在随机力激励下的自噪声功率谱响应。对循环水槽中5 m/s和8 m/s两种流速工况下的腔体水动力自噪声和湍流脉动压力进行了测试,结合测量的脉动压力预报方法可以计算腔体水动力自噪声量值,理论预报与试验测量结果大致吻合,趋势一致,为声呐罩材料选取及声学环境控制提供了一种分析方法。

• 一种精确计算换能器空间脉冲响应的快速方法

  董明,马宏伟,陈渊,杨平,张广明,

  空间脉冲响应被认为是最有效的瞬态声场计算方法,针对空间脉冲响应直接计算时需要很高的采样频率,导致数据量大、计算效率差的问题,推导了空间点与其在换能器平面的投影点脉冲响应之间的关系,提出了一种计算脉冲响应的快速算法,探讨了计算采样频率和插值采样频率对计算精度和计算效率的影响,研究发现,采用1000 MHz采样频率能够保证精度要求,采用500 MHz作为插值时的采样频率是较优的选择。该方法与直接求解相比,可提高计算效率18倍。

• 特征空间和符号相干系数融合的最小方差超声波束形成

  刘婷婷,周浩,郑音飞,

  为了提高医学超声成像的空间分辨率,提出一种融合了特征空间最小方差与符号相干系数的波束形成方法。首先利用最小方差法计算回波数据的协方差矩阵和加权向量;然后对协方差矩阵进行特征分解得到信号子空间,并将加权向量投影到该空间上;最后计算符号相干系数,用于优化特征空间法得到的回波信号,最终获得超声成像数据。为验证算法的有效性,对医学超声成像中常用的点目标、斑目标进行仿真,对点目标仿体和人体颈动脉组织进行超声成像实验。结果表明:所提出的方法在分辨率、对比度以及稳健性等方面都优于传统的延时叠加算法、最小方差算法、特征空间最小方差法以及特征空间与相干系数融合的方法。

• 一种过套管双源反激声波测井方法

  张博,苏远大,唐晓明,祁晓,谭宝海,

  套管井胶结差时,地层声速的测量是一个很重要的测井难题。为解决这一难题,提出了一种过套管双源反激声波测井方法,从数据采集上压制套管波,增强地层波的信噪比。模拟计算了这种情况下双源反激的测井声波波形,并在实验室制作了1:10的套管模型井,进行了物理模拟实验。计算结果表明利用该方法可以有效压制套管波,并能清晰地识别出地层纵波。对实测波形的分析表明,实验条件下采用双源反激方法套管波幅度能够被压制到单源激励时的0.12倍,有效提高了地层波的信噪比,并能有效提取地层波的速度。理论和物理模拟结果验证了该方法的可行性,为其工程应用奠定了基础。

• 三层膜管壁结构的颈动脉超生仿真

  胡晓,张榆锋,高莲,蔡光卉,贾志国,章克信,邓丽,

  颈动脉超声仿真 有助于血管壁超声检测及信号处理方法的性能评价。提出三层膜管壁结构的颈动脉超声仿真方法。根据组织散射点分布的形状和密度与超声回声斑点分布的变化规律,对临床图像统计分析,确定对应组织散射点分布、密度及强度等特征参数，利用FIELD II产生超声射频回波信号并得到B超图像。30 例仿真试验结果表明，血管壁内、中、外膜及血流回声的统计分布与临床B超图像的一致;与中心频率为8 MHz的结果相比，12 MHz仿真的内、中、外膜厚度及管腔直径测量均值与预设值相等，最大相对误差分别为4.01%, 1.25%, 0.04%及0.15%,仿真效果更为逼真。

• 息肉与麻痹喉声源分类中非线性动力学发声系统模型研究

  顾玲玲,张晓俊,黄程韦,吴迪,周孝进,陶智,

  提出一种非线性动力学建模仿真发声系统,分类息肉和麻痹喉声源的方法,为声带疾病分类时参数选择提供了依据。首先介绍息肉和麻痹声带力学模型,耦合声门气流产生喉声源,求取喉声源频率(基频)、基频微扰;提出用庞加莱截面,分岔图对模型振动进行非线性分析;改变声带病理参数及声门下压,分析频率参数和混沌参数李雅普诺夫指数的变化。仿真实验结果表明,声带麻痹减小了发声基频,且只在一定压力范围内出现混沌振荡;息肉声带的混沌则分布在整个压力范围内。根据最大李雅普诺夫指数随声门下压变化的差异性分布,有助于识别并分类声带息肉和声带麻痹。

• 双哈希索引的高精度大规模音频样例检索

  高晓芳,罗森林,吕英,罗志军,潘丽敏,

  实时音频流中对大规模音频样例进行检索时,在保证准确率的条件下,检索速度直接影响音频流实时处理能力。提出一种基于双哈希索引的大规模音频样例检索方法。该方法通过对大规模音频样例的音频特征进行自相似量化后,分别根据自相似序列的分段向量均值和模值建立线性双哈希索引,然后在音频流中进行搜索,最后对搜索结果利用音频的时序和空间信息进行判断得到检索结果。实验结果表明,本方法实现了大规模音频样例的一次检索,且当采用12维MFCC音频特征,音频样例时长为16 s、音频样例规模小于3100时,音频样例的检索准确率在90%以上,检索速度大于12000倍速,最高达到16000倍速。该方法在有效提高检索精度的基础上,保证较高的检索速度。

• 声学头模对语言清晰度测量的影响

  章斯宇,郑晓林,孟子厚,

  借助声学头模考察了水平面不同语声源和噪声源位置对语言清晰度测量的影响,比较了有声学头模的双耳STIPA与无声学头模常规STIPA测量结果的差异,分别采用录听和现场测听方式进行了同等条件下的汉语听感清晰度主观评价实验,并分析了清晰度主客观结果的相关性。结果表明:声源位置对有声学头模的STIPA以及头模录制信号和真人现场实测的听感清晰度影响显著。无声学头模的STIPA更接近有声学头模时左右耳中较差的劣势耳的STIPA结果。单侧耳与语声源同侧或与噪声源异侧对应的单侧耳听感清晰度更高,语声源和噪声源重叠对应的双耳听感清晰度最低,声源分离可以显著提高双耳听感清晰度。头模录制信号和真人现场实测的听感清晰度与无声学头模STIPA不相关,与有声学头模的STIPA高度相关,其中单侧耳听感清晰度与该单侧耳STIPA高度相关,双耳听感清晰度与左右耳STIPA的较高值相关性最高。

• 不同语调条件下的声调音高实现

  王韫佳,丁多永,东孝拓,

  从调类个性、句中位置和重音级别3个层面的语音分析,考察普通话4个声调在不同语调条件下的音高实现。目标词被置于3种不同的焦点位置(即句重音最强的位置)和两种不同的非焦点位置(即非句重音位置)上,对目标词的调域以及目标声调的高音点和低音点进行了观察分析。实验结果表明,(1)在焦点条件以及非焦点条件下,阳平的音高位于调域的中低音区,去声低音点的理论调值尽管低于阳平低音点,但去声低音点在音高实现上往往接近阳平低音点甚至会高于阳平低音点;(2)焦点在句首位置表现为调域向上下两个方向扩展,在句末位置则表现为调域整体上抬,但不同声调的高音点并不都与调域上限同比例变化,不同声调低音点的变化也并不都与调域下限同比例变化;(3)重音后音节的音高对焦点音节的依赖关系受音步组合关系的制约,焦点和焦点后音节若在同一音步内,焦点后音节的音高与焦点音节的音高关系类似轻声音节与其前接非轻声音节的音高关系,焦点和焦点后音节之间如果存在音步边界,焦点后音节的音高表现出一定的独立性。这些结果说明了语句中声调音高实现的复杂性,一个具有较好预测性的汉语普通话语调模型的建立需要包括焦点结构、韵律结构、协同发音、调类个性等不同层面信息的诸多细节化规则。