声传播

摘要： 该文在单晶硅基底上设计了AlN/PZT复合压电薄膜层声表面波(SAW)器件,采用有限元法(FEM)研究了复合压电材料厚度(PZT厚度h_(PZT)和AlN厚度h_(AlN))对AlN/IDT/PZT/Si结构中零阶、一阶SAW的相速度、机电耦合系数和电极反射系数的影响,根据色散特性得到最优化薄膜厚度。结果表明,AlN/IDT/PZT/Si结构中,当h_(PZT)=0.025λ,h_(AlN)=λ时,零阶、一阶SAW都能取得最高相速度(分别为5582 m/s和5711 m/s),适用于高频器件设计;在h_(PZT)=0.2λ,h_(AlN)=0.1λ时,零阶SAW波的机电耦合系数最大(为21.55%),但此时相速度最小(仅为2890 m/s),适用于移动通信领域宽带低损耗SAW滤波器和延迟线结构信号处理器件的设计。

摘要： 内孤立波是一种常见于浅海海域的非线性内波,具有振幅大、周期短和流速强等特点,它通过扰动水体中的温盐分布使声速剖面产生明显的距离依赖性,进而影响水下声传播特性.内波自生成后通常以1 m/s量级的速度传播,运动的内波使声传播路径上的声波模态能量在空间和时间上剧烈起伏.本文定义模态强度为模态系数模值(模态幅度)的平方,并用其衡量各阶模态所含声能量的大小.文中基于耦合简正波理论,推导了内波运动时声波模态强度起伏的表达式,将模态强度表征为振荡项和趋势项的线性叠加.以往的工作大多局限于单独从时域或频域研究内波运动时声波模态强度的时变规律,本文则结合短时傅里叶变换在时频平面上揭示了模态强度的起伏机理.理论推导和数值仿真均表明内孤立波使各阶声波模态之间发生能量交换,即模态耦合.内波的动态传播进一步引起模态干涉,这种干涉效应表现为模态强度中的振荡项并使模态强度随时间快速起伏.受模态剥离效应(不同阶模态之间衰减系数的差异)的影响,趋势项的幅度随时间不断变化,进而对模态干涉引起的振荡叠加了时变的偏置.模态强度的整体走势和振荡项中各频率分量振幅的时变特征均与模态衰减密切相关.同时,本文使用深度积分声强作为总接收声场强度的度量,研究了内波运动时模态强度起伏对接收阵位置处声能量的影响.结果表明,能量较大且起伏剧烈的模态强度将主导总接收声强的变化.

摘要： 大洋中的物理海洋现象影响着水体的变化,从而对其中的声波传播产生重要的影响.首次在东印度洋海域进行的声学调查实验,发现了印度洋热带偶极子物理海洋现象对声传播的影响,利用穿越热带偶极子的声传播实验数据,分析了声源深度和水体起伏对深海会聚区的影响,并对实验中的声传播现象形成机理进行了理论解释.结果表明:东印度洋深海非完全声道环境下,受热带偶极子形成暖水团和声源深度起伏的影响,第2会聚区没有形成,声源深度变深时,更容易形成深海会聚区;印度洋热带偶极子影响下第2会聚区位置处的水体跃层起伏会对下一个会聚区的形成及位置产生重要影响,使得第3会聚区提前形成,会聚区位置向声源方向偏移2—3 km.研究结果对探测及通信声纳在深海复杂环境下应用具有重要指导意义.

摘要： 受海面强风和海-气相互作用影响,表面声道普遍存在于冬季海洋环境中,是一种天然有利于声传播的波导.但是海面波浪使得海表形成粗糙界面,会严重破坏这种优良性能.本文利用南海北部海区的一次冬季声传播实验数据,研究表面声道声传播特性.研究表明,海底底质对表面声道内声传播的影响较弱,当海面风较小时,涌浪造成的影响为主要原因.实验数据显示,考虑涌浪后的粗糙海面给70 km远处带来了10 dB的传播损失增长.因此在考察南海北部海区冬季声场特性时,不仅要考虑海面风浪的影响,更需要考虑周围海域传来的涌浪的影响.研究涌浪存在时的声传播特性对提升声纳设备在海况较差时的使用性能具有重要意义.

摘要： 对于远程声传播问题,地球曲率的影响不可忽略.为分析地球曲率对远距离声传播的影响,本文提出了一种地球曲率影响下环境参数的修正方法,该修正方法无需改动现有声场计算模型,具有可移植性好、计算简便的特点.典型环境下的仿真结果表明,由于地球曲率的影响,在会聚区传播中,会聚区的位置向声源方向偏移,会聚区移动随着距离变换近似为线性关系,1000 km距离上偏移可达10 km;而深海声道传播中,到达结构在时间轴上整体前移,并伴随着在深度和时间轴上的扩展,影响均随着传播距离的增加而逐步增大,1000 km距离上整体前移的幅度可达136 ms.

摘要： 针对不确定浅海中潜在地影响声传播过程的物理参数众多,导致声场数据的固有物理自由度难以确定的问题,本文从微分流形视角出发,将流形学习中一种判定数据固有维度的方法应用于浅海中垂直线列阵接收的声场数据,给出了一种判定不确定浅海声场数据固有物理自由度的方法.利用数值仿真对方法进行验证,将该方法应用于2次海试数据,并结合海上实验中对水文环境参数的同步观测,揭示了控制2次海试声场数据的固有物理自由度分别为3和5,初步确定了主导声场变化的物理参数分别为水深及声速剖面变化的前2阶主成分和水深及声速剖面变化的前4阶主成分,验证了方法的有效性.该方法可以为声学反演等相关声学方法提供重要的理论指导.

摘要： 利用有限元方法,实现了对浅海海底起伏环境下的声场数值模拟。在验证有限元计算结果准确性的基础上,重点讨论了海底倾斜角度和海山对声传播特性的影响。仿真结果表明海底地形起伏对声传播损失的影响不可忽略,液态海底下当水平传播距离达到4 km时,倾斜角对声能量的影响可达30 dB;受海山影响,其后方声传播损失相比忽略海山条件下最大可达20 dB,且海山高度越高,声能量损失越严重。

摘要： 在海洋声传播调查中,为更加准确测量定深炸弹水下爆炸声源,校准声源级,减小爆炸声源级对声传播损失计算的影响,文章介绍了声源级测量中根据单个水听器接收的信号计算接收距离的方法,该方法在海流较大时,距离计算更简单可靠,并且分析了爆炸信号激波与第一气泡脉冲的声能量关系在500～4000 Hz呈线性递减的关系,可为海上声源级测量提供一定参考.

摘要： 用于消减宽频带低频噪声的消声器的结构尺寸较大,且消声性能较差.因此,利用穿孔管的宽带消声特性和膜结构对低频噪声良好的消声性能,设计了穿孔管与超材料薄膜耦合的消声结构.分析了消声结构的消声机理,仿真分析了消声结构参数对消声性能的影响.结果表明:主管道内声波与消声结构谐振系统的耦合强度越大,薄膜的振动越剧烈,反射回上游管道的声波越强,则传入下游管道的声波越弱;消声结构传递损失峰值所对应的频率与超材料薄膜的第1阶共振频率基本一致.设计了螺旋形消声结构,对其消声性能进行仿真和实验测试,结果表明仿真结果与实验结果吻合较好.研究结果可为宽频带低频噪声的控制提供有益参考.

摘要： 受风浪的影响,海表面实际为上下起伏的粗糙表面.通过计算粗糙海表面的反射系数,发现不平整的海表面能够引起较为明显的声反射损失.在声传播损失的仿真计算中考虑这种反射损失后,声传播损失的计算结果明显增大,这说明海面反射损失是一项不可忽略的因素.并且通过将声传播实验的实测数据于仿真结果进行对比,表明只有在考虑海面反射损失后,仿真结果才能很好地与实测结果相吻合,这进一步地证明了考虑海表面声反射损失的必要性.

摘要： 深海海底山对声传播具有重要影响.深海中存在大量海底山,声波在深海中传播过程时会频繁地与海底山碰撞,偏离原来的传播平面,产生三维水平折射效应.因此,掌握海底山环境下的三维声传播规律,对水下目标探测和定位起着关键作用. 目前我国针对深海海底山环境下声传播研究多利用2D或NX2D模型。本文基于一次深海海底山条件下的声传播实验数据，利用三维射线模型初步分析了海底山环境下的三维声传播机制。

摘要： 会聚区效应是深海海区一个重要的水声环境特性,利用声传播的会聚区效应,可以更好地实现远程水声通信和探测.低频声信号的会聚区传播对实现远程水声通信系统和潜艇低频噪声的探测性能分析预报具有重要的意义。 本文利用一次南海深海声传播实验数据，研究了深海海底反射会聚区声传播损失特性，并与声场模型计算结果进行对比，对声传播损失随距离的变化特点进行了分析。

摘要： 船舶在行进过程中会形成富含气泡的尾流,气泡的存在使原来的单纯水介质变成水和气泡两相介质.气泡对声波的吸收衰减与海水不同,导致声波在水中传播时衰减系数和声速的变化,进而导致了声场分布的变化.本文主要针对气泡对声场的影响进行仿真计算,进而分析气泡对声传播的影响.

摘要： 在海风和重力的作用下,海洋表面呈现随机起伏的特性,导致接收端声压幅度的衰减和随机起伏.早期的研究集中于粗糙海面的后向散射对单站声呐系统的影响.随着收发分置声呐系统的发展,目前的研究集中于起伏海面的前向散射.Kuperman研究了散射衰减量的影响因素. Wes-ton系统地研究了风-浪-声的关系，得到了衰减量与频率和风速的拟合关系。王先华指出南海同一传播路径上两次声传播实验的传播损失差异是由海面波浪引起的。目前对起伏海面下声场的随机起伏特性的研究还比较少。本文根据一维粗糙度谱生成随机起伏海面，利用MNIPE模型计算起伏海面下的随机声场，并讨论其传播损失的随机分布特性。

摘要： 有限元方法(Finite Element Method,FEM)是用来解决复杂的结构几何问题上的一种有效方法.由于使用有限元方法可以精确地求解复杂边界问题,这使得对复杂海洋声学仿真中有着极大的应用意义.本文选择基于有限元方法的商用仿真软件COMSOL作为计算平台,仿真了几类典型、复杂浅海环境下的声传播问题.并利用骆文于等人提出的一种求解水平变化波导问题的全局矩阵耦合简正波方法(DGMCM模型)的计算结果进行对照验证.结果表明,利用有限元方法可准确求解复杂浅海模型下的声传播问题.

摘要： 类似于大气中的涡流,涡旋是一种闭合旋转的、平移的水体.中尺度涡是深海中常见的中尺度现象,其空间尺度可达上百公里,持续时间为几天到几个月,对深海声传播有较大影响.中尺度涡可以分为两类:冷涡和暖涡.冷涡中心温度低,边缘温度高;暖涡反之.

摘要： 内孤立波多发生在具有密度分层的浅海海域,且常以若干个孤立波组成的波包形式传播.它可以引起声速在时间和空间上的起伏,进而对声传播特性产生影响.在实际的三维海洋环境中,内孤立波将对水平维度上的声速分布产生扰动,显著增强水平声速梯度,导致声波在水平方位上发生耦合,从而引起声波的水平折射.

摘要： 实验和理论都已经证实,在一些特定的海洋环境中声传播的三维效应不可忽略,例如有海底山或强涡流存在下的声传播.另一方面,近年来声呐向低频发展,使信号有更高的平稳性和更好的可预测性,对海洋波导进行时域信号分析成为重要课题.因此三维海洋波导的时域信号分析也成为重要的研究方向. 谱元法于近几年应用于水声传播建模仿真，2012年，Cristini和Komatitsch用二维直角坐标谱元法对海洋波导声场进行仿真计算，并与Scooter的计算结果对比，证明了谱元法应用于水声学的可行性。2016年，Bottero和Cristini等人采用柱坐标谱元法计算了距离有关海洋波导声场，证明了该方法拥有计算反向散射的能力。本文利用谱元法分析三维楔形海区声场。

摘要： 空间非衍射波束一直是研究者们关注的热点,2007年,D.N.Christodoulides将艾里函数引入光学领域实现了艾里波束,后他人相继发现了马丢波束和韦伯波束等,这一类非衍射束在空间中不依赖介质的非线性性质,其中艾里声束因其在医学超声成像和治疗中的重要潜在应用尤受关注.相比于时域为连续波的非衍射束,脉冲非衍射束的研究也具有很大的实用价值.脉冲束在自由空间中传播时,空间非衍射特性可以通过上面提到的方法来实现,但在介质色散的影响下,很难保证脉冲在时域无色散.在诸如无损检测等应用场景下,脉冲声束在时域的展宽会直接导致峰值的减弱和信噪比的降低.

摘要： 空间非衍射波束一直是研究者们关注的热点,2007年,D.N.Christodoulides将艾里函数引入光学领域实现了艾里波束,后他人相继发现了马丢波束和韦伯波束等,这一类非衍射束在空间中不依赖介质的非线性性质,其中艾里声束因其在医学超声成像和治疗中的重要潜在应用尤受关注.相比于时域为连续波的非衍射束,脉冲非衍射束的研究也具有很大的实用价值.脉冲束在自由空间中传播时,空间非衍射特性可以通过上面提到的方法来实现,但在介质色散的影响下,很难保证脉冲在时域无色散.在诸如无损检测等应用场景下,脉冲声束在时域的展宽会直接导致峰值的减弱和信噪比的降低.

摘要： 本发明公开了一种有源单向声传播装置及实现单向声传播的方法，其中传播装置由两个扬声器和两个传声器组成，所述两个扬声器构成控制声源，在所述控制声源的一侧设置一参考边界，所述两个传声器位于所述参考边界的两边，且所述两个传声器的间距小于声波波长，所述的两个传声器测得用于计算外界声源产生的反向声压的声压信号，所述的控制声源发出抵消所述外界声源产生的反向声压的声波。与采用强非线性声学介质构造单向声传播装置相比，本发明采用常规扬声器和传声器作为实现手段，结构简单、更易实现。

摘要： 本发明公开了一种应用于船舶三维声弹性分析的浅海声传播计算方法，属于船舶三维声弹性分析领域。该方法包括建立三维结构物的有限元模型；对有限元模型进行干模态分析得到三维结构物的干模态参数；根据干模态参数获取三维结构物的湿面元源强；针对一个频率点，根据海洋环境参数计算简正模式参数；根据简正模式参数、每个湿面元的位置信息及场点的位置信息计算每个湿面元在场点的Green函数值；根据各个湿面元的Green函数值和湿面元源强，计算在频率点处三维结构物在场点的声压级；解决了计算三维结构物的声辐射与声传播的计算量大、效率低的问题；达到了降低计算量，提升计算效率，提高软件的工程应用价值的效果。

摘要： 本发明提出一种基于声阵的海洋声传播损失测量方法，包括利用水声接收阵系统实时实现传播损失测量，并且在阵元域的信噪比小于6dB情况下，仍可通过声接收阵的波束域输出结果，实时实现不同频段水下声传播损失的计算。与传统的基于浮标的静态传播损失测量技术相比，基于声阵的海洋声传播损失实时测量技术可以实时进行阵元域和波束域的多频段的水下声传播损失测量。并且在阵元域信噪比低于6dB而无法进行传播损失测量的情况下，利用声基阵的阵增益，通过波束域可以实现多频段的水下声传播损失测量。

摘要： 本发明公开了一种有源单向声传播装置及实现单向声传播的方法，其中传播装置由两个扬声器和两个传声器组成，所述两个扬声器构成控制声源，在所述控制声源的一侧设置一参考边界，所述两个传声器位于所述参考边界的两边，且所述两个传声器的间距小于声波波长，所述的两个传声器测得用于计算外界声源产生的反向声压的声压信号，所述的控制声源发出抵消所述外界声源产生的反向声压的声波。与采用强非线性声学介质构造单向声传播装置相比，本发明采用常规扬声器和传声器作为实现手段，结构简单、更易实现。

摘要： 本发明公开了一种应用于船舶三维声弹性分析的浅海声传播计算方法，属于船舶三维声弹性分析领域。该方法包括建立三维结构物的有限元模型；对有限元模型进行干模态分析得到三维结构物的干模态参数；根据干模态参数获取三维结构物的湿面元源强；针对一个频率点，根据海洋环境参数计算简正模式参数；根据简正模式参数、每个湿面元的位置信息及场点的位置信息计算每个湿面元在场点的Green函数值；根据各个湿面元的Green函数值和湿面元源强，计算在频率点处三维结构物在场点的声压级；解决了计算三维结构物的声辐射与声传播的计算量大、效率低的问题；达到了降低计算量，提升计算效率，提高软件的工程应用价值的效果。

摘要： 本发明提出一种基于声阵的海洋声传播损失测量方法，包括利用水声接收阵系统实时实现传播损失测量，并且在阵元域的信噪比小于6dB情况下，仍可通过声接收阵的波束域输出结果，实时实现不同频段水下声传播损失的计算。与传统的基于浮标的静态传播损失测量技术相比，基于声阵的海洋声传播损失实时测量技术可以实时进行阵元域和波束域的多频段的水下声传播损失测量。并且在阵元域信噪比低于6dB而无法进行传播损失测量的情况下，利用声基阵的阵增益，通过波束域可以实现多频段的水下声传播损失测量。

摘要： 本发明公开了一种多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置，包含圆形波导、n个直波导和n个超表面，n为大于等于3的正整数，n个直波导沿圆形波导圆心圆周均布，直波导与圆形波导连接，超表面位于圆形波导内，超表面沿圆形波导圆心圆周均布，当声波从直波导进入到圆形波导内时，遇到超表面发生偏转，从下一个直波导传出。本发明的多端口系统实现非对称声传播和循环传播装置，通过在圆形波导内与直波导对应的设有超表面，声波从直波导进入到圆形波导内，声波遇到超表面发生偏转，从下一个直波导端口传出，实现声波的非对称的传播，由于系统完全依靠结构实现其功能，只需一种单一的固体材料就可以制备多端口声循环传播器件。

摘要： 本发明公开了一种基于声传播的气温测量装置，包括发声器、传声器和控制器，发声器和传声器分别安装在待测空间的两端，且发声器的发声面与传声器的接收面正对设置；发声器和传声器分别与控制器相连，所述控制器用于控制所述发声器及传声器工作，并采集发声器发声的时刻信号及传声器收到声音的时刻信号，然后解算得到待测空间的平均气温。本发明通过将发声器和传声器安装在待测空间的两端，控制器通过计算能够得到待测空间内的平均气温，能够快速获得测量结果，同时，确保发声器和传声器之间无其他遮挡物，能够进行非接触测量，避免遮挡物对气温测量的影响，进一步提升测量的准确性，具有操作方便、响应及时、易于实现自动化等优点。

摘要： 本发明公开了一种研究喷流噪声及声传播的试验方法，目的是为了研究低压环境下的喷流噪声产生机制，同时分析声波在低压气体和不同压力梯度管道内的声传播特性（也考虑喷流噪声在密封空间的声反射与声折射效应），采用泄压复压装置原理与喷流噪声理论，对喷流喷管进行设计，以及对喷流喷管喷口设计压力容器实现超声喷流现象。本发明不仅可研究喷管喷口以及喷口下游区域的稳态以及准稳态流场与声场信息，而且还能研究喷口区域压力由低压恢复至罐体外部压力时的瞬态流场与声场信息，在罐体外部的噪声来源于喷管喷口处的喷流噪声以及管道内部流体噪声，可研究声波在管道内部沿着气流流动的逆向传播特性。

摘要： 本发明公开了一种声单向传播主控操控方法，包括如下步骤：选取一个空间面，获取声波平面上的质点声压p和所需控制的声传播方向A上的振速u；根据质点声压p，对声波平面上的声压进行锁定；根据振速u，对声波平面上的振速进行锁定；当声波穿过介质时，由于步骤S2的锁定关系，导致在空间面的声传播方向A上呈现声单向传播的特性。本发明通过锁定声压和振速，实现了声波单向传播控制，且该方法不受工作频率带宽的影响，不受空间尺寸厚度的限制，具有极好的推广应用价值。