水下低频振荡涡流场声散射调制机理与特性研究

2018年第4期信息通信2018(总第184 期）INFORMATION & COMMUNICATIONS (Sum. N o 184)水声场波动方程与定解条件研究万骏(三峡大学，湖北宜昌443003)摘要:波动方程是由麦克斯韦方程组导出的、描述电磁场波动特征的一组微分方程，是一种重要的偏微分方程，主要描述 自然界中的各种的波动现象，包括横波和纵波，例如声波、光波和水波。

波动方程抽象自声学，电磁学，和流体力学等领 域。

论文将从声传播理论出发来了解波动方程在水声场中的应用，并研究其定解条件。

关键词:水声场；波动方程;定解条件中图分类号:〇241.8 文献标识码:A文章编号=1673-1131(2018)04-0057-02水声学是指研究水下声波的产生、辐射、传播、接收和量 度，并用以解决与水下目标探测及信息传输有关的各种问题 的一门声学分支学科。

在海水中声波的衰减远比电磁波微小，故声波是海水中探测目标和传递信息的有效工具，因而水声 学的发展对提高现代海军的反潜作战能力起着重要作用。

同时水声学在民用如导航、海底地质考察和石油勘探、渔业方面 均有广泛应用。

而本文主要研究的是水声波动方程与定解条 件研究，对波动理论、波动方程、波动声学以及射线声学等知事实上,当介质本身有流动时，中含有介质流动速度的影 响，相关理论可参阅朗道著《连续介质力学》。

考虑到假设介 质是静止的,（1)式和(2)式中没有考虑介质流动速度的影响。

在理想流体介质声传播过程中，还没有来得及进行热交 换，声波传播(介质的压缩和膨胀)的力学过程已经完成，这一 过程近似为绝热过程，即无热传导。

绝热过程中，P为压强，P 为密度，下标S表示绝热过程。

本节后面讨论波动方程的解 时，可知c为声波在介质中的传播速度。

识进行论述，并分析具体的定解条件。

1水声场波动方程介绍1.1波动理论波动理论是研究声信号的振幅和相位在声场中的变化, 它适用低频，数学上复杂、物理意义不直观的声场分析方法。

基于抗干扰的水下声信号处理技术研究一、前言随着人类对海洋资源的开发和利用不断增加，水下声信号处理技术的重要性日益凸显。

在海洋勘探、水下防卫、水下测量等领域中，水下声信号是获取和传递信息的重要手段。

但由于水下环境的复杂性和多变性，水下声信号会受到各种干扰，降低信号质量和可靠性。

因此，基于抗干扰的水下声信号处理技术成为了当前研究的热点和难点。

二、水下环境特点和干扰类型在水下环境中，声波遇到了许多的障碍和扭曲，这些障碍包括水温梯度、海水流动、海底地形等。

因此，水下声信号普遍受到多径效应、散射、衰减等干扰，这些干扰类型往往是瞬态和时间变化的，需要特殊的算法和技术进行处理和调整。

针对水下环境特点和干扰类型，已经研究出了多种水下声信号处理算法，其中基于抗干扰的方法是当前研究的一个重要方向。

三、基于抗干扰的水下声信号处理技术1. 自适应滤波算法自适应滤波算法是一种基于最小均方差（LMS）准则的算法，其通过动态调整滤波器系数，使得输出的信号与期望信号如实接近，从而实现抗干扰的目的。

2. 小波变换小波变换是一种时频分析方法，其能够在时域和频域上对信号进行处理和分析，提取信号的局部特征。

小波变换能够有效地抑制和排除高频噪声和低频漂移等干扰，对信号的局部细节进行分析和提取，是水下声信号处理的重要方法之一。

3. 谱减法谱减法是一种减噪方法，其通过对信号的频谱进行分析，将干扰频率对应的分量减去，实现信号抗干扰目的。

谱减法能够在保持原信号主要内容的情况下实现抗干扰，是一种常用的水下声信号处理方法。

4. 神经网络神经网络是一种类似于人脑神经元的计算模型，其能够通过学习和训练来实现对水下声信号的识别、分类和处理。

神经网络的优点是能够自适应地调整模型参数，实现对不同类型干扰的抗性，是一种高效的水下声信号处理方法。

四、未来发展方向目前，基于抗干扰的水下声信号处理技术已经取得了重要进展。

尤其是在多传感器数据融合、深度学习技术等方面，水下声信号处理技术正实现着不断地创新和突破。

舰船水下瞬态噪声特征分析方法研究舰船水下瞬态噪声是指舰船运动或其他外界因素引起的突然或间歇性的噪声变化。

对于水下舰船噪声的特征分析，可以帮助我们了解舰船运动状态、识别异常声源以及改进水下噪声探测技术。

本文将介绍一种舰船水下瞬态噪声特征分析的研究方法。

首先，我们需要将水下瞬态噪声信号进行采集和处理。

可以使用水下声学传感器对水下瞬态噪声进行实时或离线采集。

采集的噪声信号可以使用数字滤波器进行预处理以去除不感兴趣的频率成分，同时通过调整滤波器的频带宽度来选择关注的频率范围。

接着，我们可以将水下瞬态噪声信号进行时频分析，以研究其时变性质。

时频分析是一种通过在时间和频率上同时分析信号的方法。

常见的时频分析方法包括短时傅里叶变换（STFT）、连续小波变换（CWT）和Wigner-Ville分布（WVD）等。

这些方法可以帮助我们研究噪声信号在不同时间和频率上的变化规律。

在时频分析的基础上，我们可以提取各种统计特征来描述水下瞬态噪声的特点。

常见的统计特征包括均值、方差、峰度和偏度等。

这些统计特征可以帮助我们定量地描述噪声信号的分布形态和分布特点。

此外，我们还可以通过相关分析来研究水下瞬态噪声与其他因素的关系。

例如，可以通过相关分析来研究水下瞬态噪声与舰船运动状态、海水环境因素以及水下活动的关系。

相关分析可以帮助我们发现噪声信号中潜在的因果关系，并进一步理解噪声的产生机制。

最后，我们可以使用机器学习方法对水下瞬态噪声进行分类和识别。

机器学习算法可以通过训练模型来自动学习和提取噪声信号的特征，从而实现对噪声信号的分类和识别。

常见的机器学习算法包括支持向量机（SVM）、随机森林（Random Forest）和深度学习方法等。

这些算法可以帮助我们自动分析和处理大量的水下噪声数据。

总之，舰船水下瞬态噪声特征分析是一项重要的研究任务。

通过采集、时频分析、统计特征提取、相关分析和机器学习等方法，我们可以全面地了解水下瞬态噪声的特征，并在水下噪声探测、目标识别和环境监测等方面提供有力的支持。

流声耦合、振荡涡流场、声散射调制、水声学、气动声学《流声耦合与振荡涡流场》1. 引言在水声学和气动声学领域，流声耦合和振荡涡流场是两个重要且密切相关的概念。

本文将从简单到复杂，由浅入深地探讨这两个主题，以便读者能够更深入地理解它们所涉及的物理现象和数学模型。

2. 流声耦合流声耦合是指流体动力学与声学波动之间的相互作用。

在水声学中，流体的运动状态会对声波的传播和散射产生影响，而这种相互作用又会导致声场对流场的反作用。

在气动声学中，同样存在着流声耦合的现象，例如飞机机翼边缘产生的空气涡流会影响机身上的声场分布。

流声耦合的研究对于理解水下噪声的来源和传播、飞机噪音的控制等问题具有重要意义。

3. 振荡涡流场振荡涡流场是一种流体力学中常见的复杂流动现象，它产生于流体运动过程中的湍流区域，具有不稳定振荡的特点。

在水声学中，振荡涡流场会对声波的散射和调制产生影响，从而影响声场的分布和传播特性。

而在气动声学中，振荡涡流场对飞机、汽车等载体产生的噪音也具有重要影响。

理解和控制振荡涡流场对于降低水下噪音、飞机噪音等具有积极意义。

4. 声散射调制声散射调制是指声波在经过流动介质时，由于介质的运动状态不同而导致声波的散射和调制现象。

在水声学中，声散射调制是海洋水体中生物和地形等不均匀结构对声波传播的影响，它导致了水下声场的非均匀性和复杂性；在气动声学中，声散射调制则是风场和地形等环境对声波传播的影响，也会导致飞机、汽车等噪音的复杂特性。

理解声散射调制对于提高水下信号传输的稳定性和飞机噪音控制具有重要意义。

5. 个人观点和理解作为水声学和气动声学领域的研究者，我深知流声耦合和振荡涡流场对于声学波动的影响是复杂而重要的。

通过深入研究和实验，我发现流声耦合和振荡涡流场不仅对水下噪声和飞机噪音产生重要影响，也为我们提供了理解和控制这些噪音的新途径。

在未来的研究中，我将继续深入探讨这些现象，并寻求更有效的降噪和控制方法。

6. 总结与回顾本文从水声学和气动声学的角度，对流声耦合和振荡涡流场进行了全面评估，并探讨了声散射调制现象。

算例：1.声学器件2D轴对称喇叭单元电磁-声-固耦合分析这是一个动态电磁式圆锥形扬声器模型，通常用于中低频段声音重放，电磁场模块的小信号分析计算静电力和静态的音圈阻抗，声固耦合应用模式分析喇叭振膜的振动以及声波的辐射，最外层采用完美匹配层边界条件（PML）模拟无限大空间，输出结果包括随频率变化的灵敏度曲线和阻抗特性曲线等。

模型来源: Acoustics_Module/Industrial_Models/loudspeaker_driver。

压电声学传感器压电传感器能把电信号转换成声压辐射，反过来，也能把声场压力转换成电信号。

这种换能器采用压电材料和声场应用模式，在声场-结构交界面处考虑到了结构变形对声场的加速度影响以及声场对结构的反向压力的作用。

该模型广泛应用于阵列式麦克风，超声传感器、超声探伤、无损检测、声纳、成像等。

利用COMSOL Multiphysics的拉伸耦合变量，仅需2D 的计算即可得到3D的结果数据。

模型来源: Acoustics_Module/Tutorial_Models/piezoacoustic_transducer声表面波（SAW）气体传感器特征模态分析该案例研究了SAW气体传感器的共振频率，声表面波(SAW)是能够沿着材料表面传播的波，它的振幅随材料深度按指数规律迅速衰减。

SAW器件在很多电子元件中都有广泛的应用，例如滤波器，振荡器和传感器等。

SAW由一个相互交叉的换能器构成(IDT)，换能器刻蚀在压电LiNbO3 (铌酸锂) 基底上，并覆盖一层薄的聚异丁烯 (PIB)膜，当暴露在空气中时，PIB 膜选择性的吸收CH2Cl2 (二氯甲烷, DCM) ，PIB 膜的质量随之增加，从而导致特征频率向低频扩展。

模型来源：Acoustics_Module/Industrial_Models/SAW_gas_sensor。

光声传感器特征模态光声器件广泛用于检测气体化合物的浓度，它是基于器件的光共振吸收现象，气体分子的非弹性碰撞将激发能量转换为热能，样品的调制照射会引起周期性的压力变化，该压力变化可以被光声传声器检测到，其信号检测灵敏度依赖于光声器件的几何形状，利用声学器件的共振特性可以改善其灵敏度。

第八章 水下噪声噪声定义：是指在特定条件下不需要的声音。

水下噪声：（1）海洋环境噪声和舰船的自噪声它们是声呐系统的主要干扰背景之一，限制装备性能。

（2）目标（舰船、潜艇、鱼雷等）辐射噪声它是被动声呐系统的声源，通过接收该噪声实现目标检测。

水下噪声研究的意义（对抗与反对抗）：（1）建立水下噪声的规律和特性，提高声呐设备的性能。

（2）降噪处理，提高自身隐蔽性。

8.1 噪声的基本概念1、噪声的描述噪声是一个随机过程，描述噪声的统计量有：噪声的概率密度函数：()()11110p 1p p p p p P limt ,p 1∆∆Φ∆+<<=→ 噪声的概率分布函数： ()()⎰+=+<<111p p p 1111dp t ,p t ,p p p p P ∆Φ∆平稳随机过程： ()()τΦΦ+=t ,p t ,p 11一般水中噪声被视为平稳随机过程，若噪声的声压概率密度函数表示为：()()222p e 21p σμπσΦ--=为高斯分布，相应的噪声称为高斯噪声。

其均值和方差：()()()()⎰⎰∞∞-∞∞--=-===dp p p p pdp p p 222ΦμμσΦμ一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、数学期望、方差、相关函数、功率谱。

由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数：()()()()()⎰⎰∞∞---∞→=-⋅=ττωττωτd e R S dt t p t p T 21limR j T T T 若噪声的功率谱是均匀，则称之为白噪声。

噪声声压有效值e p ：等于介质阻抗为单位值时平均声强I 的平方根。

如果假设噪声的平均值为零，介质阻抗为单位值，则它的方差便等于平均声强：⎰∞∞-==dp )p (p I 22Φσ 或时间平均表示：⎰-∞→==2/T 2/T 2T 2dt )t (p T 1limI σ 噪声声压有效值： ⎰-∞→==2/T 2/T 2T e dt )t (p T1I p lim 2、噪声的频谱分析噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确定关系，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义；而随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量，反映了该过程的各频率分量的平均强度。

水下声信道建模及声信号处理技术研究第一章前言水下声信道建模及声信号处理技术对于水下通信、探测和侦查等领域具有重要的意义。

由于水下介质的复杂性质，水下声信道受到多种干扰和衰减，同时也存在海洋杂波的影响。

因此，如何准确建模水下声信道，以及如何采用合适的信号处理技术，提高信号传输的可靠性和准确性，一直是水下声学研究的重要课题。

本文将讨论水下声信道的建模方法和声信号处理技术，旨在提高水下声通信、探测和侦查等领域中水下声信号的传输效率和准确性。

第二章水下声信道建模水下声信道的建模是水下声学研究的重要基础工作。

水下声信道的建模主要是建立水下声传播的数学模型，描述声波在水下介质中传播过程中的干扰和衰减情况。

水下声传播的复杂性质决定了水下声信道的建模需要考虑多种因素，包括地形地貌、水下声场、杂波干扰、温度梯度、盐度梯度、地震活动等。

在水下声信道建模中，有效的数学模型对于分析和预测声信号传输的可靠性和稳定性具有重要意义。

现有的数学模型可以分为统计模型和物理模型两种。

统计模型主要通过对声信号进行多次采样和测量，统计计算不同环境下的声信号传输特性，然后使用概率论和统计学的方法建立模型。

统计模型对于现实中水下声信道传输特性的描述较为准确，但需要较大的样本量，以及适当的模型假设。

物理模型则是基于声传播的物理规律和数学方程，考虑水下环境和声信号的基本特征，进行建模和预测。

物理模型对于声波信号的传输特性分析和预测精度高，但需要更多地考虑到复杂的水下环境与介质对声波传播的影响，需要对水下环境具有较为深入的了解。

第三章声信号处理技术针对水下声信道中存在的各种干扰和衰减，采用合适的声信号处理技术对声信号进行增强和修复，可以大大提高水下声通信和侦查的效率和精度。

常见的水下声信号处理技术包括如下几种：1. 自适应滤波技术自适应滤波算法可以通过对水下声信道进行模型估计，实时调整滤波器系数，对信道干扰和衰减进行抑制，以提高信号的可辨识性和可靠性。

海洋声学基础——水声学原理绪论各种能量形式中，声传播性能最好。

在海水中，电磁波衰减极大，传播距离有限，无法满足海洋活动中的水下目标探测、通讯、导航等需要。

声传播性能最好，水声声道可以传播上千公里，使其在人类海洋活动中广泛应用，随海洋需求增大，应用会更广。

§0-1节水声学简史01490年，意大利达芬奇利用插入水中长管而听到航船声记载。

11827年，瑞士物理学家D.colladon法国数学家c.starm于日内瓦湖测声速为1435米每秒。

21840年焦耳发现磁致伸缩效应1880年居里发现压电效应31912年泰坦尼克号事件后，L.F.Richardson提出回声探测方案。

4第一次世界大战，郎之万等利用真空管放大，首次实现了回波探测，表示换能器和弱信号放大电子技术是水声学发展成为可能。

（200米外装甲板，1500米远潜艇）5第二次世界大战主被动声呐，水声制导鱼雷，音响水雷，扫描声呐等出现，对目标强度、辐射噪声级、混响级有初步认识。

（二战中被击沉潜艇，60%靠的是声呐设备）6二、三十年代——午后效应，强迫人们对声音在海洋中的传播规律进行了大量研究，并建立起相关理论。

对海中声传播机理的认识是二次大战间取得的最大成就。

7二战后随着信息科学发展，声呐设备向低频、大功率、大基阵及综合信号处理方向发展，同时逐步形成了声在海洋中传播规律研究的理论体系。

81、1945年，Ewing发现声道现象，使远程传播成为可能，建立了一些介质影响声传播的介质模型。

2、1946年，Bergman提出声场求解的射线理论。

3、1948年，Perkeris应用简正波理论解声波导传播问题。

4、50-60年代，完善了上述模型（利用计算技术）。

5、1966年，Tolstor和Clay提出声场计算中在确定性背景结构中应计入随机海洋介质的必要性。

§0-2 节水声学的研究对象及任务1、水声学：它是声学的一个重要分支，它基于四十年代反潜战争的需要，在经典声学的基础上吸收雷达技术及其它科学成就而发展起来的综合性尖端科学技术。

声子晶体声传播特性研究进展及其在船舶行业中的应用田斌【摘要】Phononic crystal is an important acoustic artificial materials.It has been extensively investigated because of their characteristics of wave propagation, which is of great significant.This paper summarizes the research progress of band gap properties and mechanism, and acoustic absorption.This paper provides a reference for the fabrication and wave propagation investigation of acoustic artificial materials.Meanwhile, phononic crystal shows outstanding features in reducing vibration and blocking noise, and the band gap characteristics in suppressing vibration source of strength, vibration isolation and damping mechanism have been preliminary study, which laid a good foundation for the application of phononic crystal on vibration of the ship noise reduction.%声子晶体是一种重要的声人工材料,由于其独特的声波传播特性而得到广泛研究,对声人工材料中声波传播特性的研究具有重要意义.文章综述了声子晶体带隙特性、带隙机理以及吸声特性的研究进展,并对其在船舶减振降噪中的应用前景进行了展望.【期刊名称】《青岛科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(038)004【总页数】7页(P47-53)【关键词】声人工材料;声子晶体;带隙;减振降噪【作者】田斌【作者单位】中国船舶工业系统工程研究院,北京 100094【正文语种】中文【中图分类】O429弹性常数及密度周期分布的材料或结构被称为声子晶体，声子晶体是一种具有弹性波带隙的周期性结构与功能性材料[1]。

水下运动物体产生内波的研究进展梁建军;杜涛;黄韦艮;曾侃;贺明霞【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2016(020)005【摘要】水下运动物体产生内波是内波动力学研究的一项重要内容，具有重要的军事应用价值。

依据水下运动物体对周围层化流体扰动方式的不同，将水下运动物体产生的内波分为两类：Lee波和尾流内波。

文章首先在综合Lee波产生机制的基础上，对Lee波的理论、实验和数值研究工作进行了归纳，并给出了通过这三种手段对Lee波进行研究所取得的成果。

同时，对尾流塌陷内波和尾流随机内波的研究状况和研究成果进行了介绍和总结。

最后，提出在推进水下运动物体产生内波的研究过程中需要关注的几个问题和相应的研究思路。

【总页数】12页(P635-646)【作者】梁建军;杜涛;黄韦艮;曾侃;贺明霞【作者单位】中国海洋大学海洋遥感研究所，山东青岛 266003;中国海洋大学海洋与大气学院，山东青岛266003;国家海洋局第二海洋研究所，杭州 310012;中国海洋大学海洋遥感研究所，山东青岛 266003;中国海洋大学海洋遥感研究所，山东青岛 266003【正文语种】中文【中图分类】TV131.2【相关文献】1.水下运动源内波尾迹海面作用量谱扰动分析 [J], 高国兴;王振占;陈标;许素芹2.内波作用下水下航行体水动力载荷及运动特性研究 [J], 黄苗苗;张楠;朱爱军3.基于数据驱动的非线性内波对水下潜体运动影响仿真分析 [J], 高国兴;江禅志;赵建昕;武志东;张西托;王立伟4.水下运动物体及海底地形的SAR探测的初步研究(一)水下运动物体的SAR仿真影像分析 [J], 张庆华;杭可5.跃层中运动小球产生的内波对表层流场的影响 [J], 秦朝峰;陈旭;于佳因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

【关键字】精品海洋声学基础——水声学原理绪论各种能量形式中，声传播性能最好。

在海水中，电磁波衰减极大，传播距离有限，无法满足海洋活动中的水下目标探测、通讯、导航等需要。

声传播性能最好，水声声道可以传播上千公里，使其在人类海洋活动中广泛应用，随海洋需求增大，应用会更广。

§0-1节水声学简史01490年，意大利达芬奇利用插入水中长管而听到航船声记载。

11827年，瑞士物理学家D.colladon法国数学家c.starm于日内瓦湖测声速为每秒。

21840年焦耳发现磁致伸缩效应1880年居里发现压电效应31912年泰坦尼克号事件后，L.F.Richardson提出回声探测方案。

4第一次世界大战，郎之万等利用真空管放大，首次实现了回波探测，表示换能器和弱信号放大电子技术是水声学发展成为可能。

（外装甲板，远潜艇）5第二次世界大战主被动声呐，水声制导鱼雷，音响水雷，扫描声呐等出现，对目标强度、辐射噪声级、混响级有初步认识。

（二战中被击沉潜艇，60%靠的是声呐设备）6二、三十年代——午后效应，强迫人们对声音在海洋中的传播规律进行了大量研究，并建立起相关理论。

对海中声传播机理的认识是二次大战间取得的最大成就。

7二战后随着信息科学发展，声呐设备向低频、大功率、大基阵及综合信号处理方向发展，同时逐步形成了声在海洋中传播规律研究的理论体系。

81、1945年，Ewing发现声道现象，使远程传播成为可能，建立了一些介质影响声传播的介质模型。

2、1946年，Bergman提出声场求解的射线理论。

3、1948年，Perkeris应用简正波理论解声波导传播问题。

4、50-60年代，完善了上述模型（利用计算技术）。

5、1966年，Tolstor和Clay提出声场计算中在确定性背景结构中应计入随机海洋介质的必要性。

§0-2 节水声学的研究对象及任务1、水声学：它是声学的一个重要分支，它基于四十年代反潜战争的需要，在经典声学的基础上吸收雷达技术及其它科学成就而发展起来的综合性尖端科学技术。