基于潛標(biāo)的甚低頻矢量聲場建模與試驗研究.pdf

1、矢量水聽器可以空間共點、同步地測量聲場空間一點處的聲壓和質(zhì)點振速的三正交分量,為水聲信號的處理提供了更為全面的聲場信息,也為解決水聲問題提供了新的思路和方法。隨著矢量水聽器制作工藝以及矢量信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展和進步,關(guān)于矢量水聽器的應(yīng)用研究已成為水聲研究領(lǐng)域的一項重要內(nèi)容。然而對海洋矢量聲場傳播物理特性的研究卻不多見,尤其是甚低頻矢量聲場及其試驗研究工作就更少。潛標(biāo)作為矢量水聽器的一種工作平臺,其水下工作期間必然受到諸如海流、潮汐、風(fēng)

2、浪等海洋環(huán)境的影響,使?jié)摌?biāo)體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、俯仰、傾斜等姿態(tài)變化,同時亦引起潛標(biāo)體自身的振動,這種平臺振動耦合問題亦引起了水聲學(xué)者的重視。隨著水聲領(lǐng)域諸多方面對低頻矢量水聽器的需求,低頻矢量水聽器的水池校準研究逐漸提上日程,因而有必要研究水池矢量聲場,以便為矢量水聽器校準工作提供指導(dǎo)性意見。
　　 本文在回顧了矢量水聽器工程應(yīng)用及矢量聲系統(tǒng)研究、海洋矢量聲場及海底參數(shù)反演研究,以及水池測試技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,以矢量水聽器應(yīng)用為背景,對淺

3、海聲傳播矢量特性及海底參數(shù)反演、聲學(xué)潛標(biāo)綜合監(jiān)測技術(shù)和水池矢量聲場進行了理論和試驗研究。
　　 結(jié)合海洋聲場簡正波理論,推導(dǎo)給出了淺海矢量聲場中聲壓、質(zhì)點振速和有功聲強的簡正波表達式,通過數(shù)值仿真研究了淺海甚低頻矢量聲場傳播特性,包括聲壓、質(zhì)點振速的傳播規(guī)律,以及聲壓與質(zhì)點振速間的相位關(guān)系,并以海試試驗數(shù)據(jù)驗證了聲場仿真分析結(jié)果。根據(jù)海洋矢量場中聲壓信息與質(zhì)點垂直振速信息可以互為補充,進行了基于聲壓和垂直振速聯(lián)合處理的海底參數(shù)匹

4、配場反演研究。仿真分析了不同條件下,四種代價函數(shù)利用寬帶及單頻信號進行匹配場反演時對海底密度與聲速變化影響的靈敏度情況,最后結(jié)合淺海矢量聲場海試數(shù)據(jù)進行了海底參數(shù)匹配場反演工作。
　　 為研究潛標(biāo)系統(tǒng)水下工作期間潛標(biāo)體姿態(tài)和同步的潛標(biāo)體振動情況,設(shè)計了潛標(biāo)水下綜合監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了綜合監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)成,給出了監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析理論,分析了三套潛標(biāo)水下綜合監(jiān)測海試數(shù)據(jù),通過同步數(shù)據(jù)的研究分析可為矢量水聽器懸掛裝置、潛標(biāo)體和錨系的優(yōu)化

5、設(shè)計提供依據(jù);另外,以簡化模型研究分析了矢量水聽器懸掛系統(tǒng)一級與二級減振系統(tǒng)彈性元件的減振性能,并利用振動臺進行了試驗測試驗證。
　　 為便于低頻矢量水聽器水池校準工作的開展,研究了水池低頻矢量聲場。針對水池聲場經(jīng)典聲壓場數(shù)值仿真時存在計算速率低的問題,提出了一種水池聲場快速計算方法,該方法將聲場計算三重?zé)o窮級數(shù)展開轉(zhuǎn)化為二重?zé)o窮級數(shù)展開,同時z方向的本征值通過x和y方向本征值確定。為避免數(shù)值溢出問題,給出了一種有效的解決措施。