基于潜标的甚低频矢量声场建模与试验研究

【摘要】：矢量水听器可以空间共点、同步地测量声场空间一点处的声压和质点振速的三正交分量,为水声信号的处理提供了更为全面的声场信息,也为解决水声问题提供了新的思路和方法。随着矢量水听器制作工艺以及矢量信号处理技术的不断发展和进步,关于矢量水听器的应用研究已成为水声研究领域的一项重要内容。然而对海洋矢量声场传播物理特性的研究却不多见,尤其是甚低频矢量声场及其试验研究工作就更少。潜标作为矢量水听器的一种工作平台,其水下工作期间必然受到诸如海流、潮汐、风浪等海洋环境的影响,使潜标体产生旋转、俯仰、倾斜等姿态变化,同时亦引起潜标体自身的振动,这种平台振动耦合问题亦引起了水声学者的重视。随着水声领域诸多方面对低频矢量水听器的需求,低频矢量水听器的水池校准研究逐渐提上日程,因而有必要研究水池矢量声场,以便为矢量水听器校准工作提供指导性意见。 本文在回顾了矢量水听器工程应用及矢量声系统研究、海洋矢量声场及海底参数反演研究,以及水池测试技术研究的基础上,以矢量水听器应用为背景,对浅海声传播矢量特性及海底参数反演、声学潜标综合监测技术和水池矢量声场进行了理论和试验研究。 结合海洋声场简正波理论,推导给出了浅海矢量声场中声压、质点振速和有功声强的简正波表达式,通过数值仿真研究了浅海甚低频矢量声场传播特性,包括声压、质点振速的传播规律,以及声压与质点振速间的相位关系,并以海试试验数据验证了声场仿真分析结果。根据海洋矢量场中声压信息与质点垂直振速信息可以互为补充,进行了基于声压和垂直振速联合处理的海底参数匹配场反演研究。仿真分析了不同条件下,四种代价函数利用宽带及单频信号进行匹配场反演时对海底密度与声速变化影响的灵敏度情况,最后结合浅海矢量声场海试数据进行了海底参数匹配场反演工作。 为研究潜标系统水下工作期间潜标体姿态和同步的潜标体振动情况,设计了潜标水下综合监测系统。介绍了综合监测系统的基本构成,给出了监测系统数据分析理论,分析了三套潜标水下综合监测海试数据,通过同步数据的研究分析可为矢量水听器悬挂装置、潜标体和锚系的优化设计提供依据；另外,以简化模型研究分析了矢量水听器悬挂系统一级与二级减振系统弹性元件的减振性能,并利用振动台进行了试验测试验证。 为便于低频矢量水听器水池校准工作的开展,研究了水池低频矢量声场。针对水池声场经典声压场数值仿真时存在计算速率低的问题,提出了一种水池声场快速计算方法,该方法将声场计算三重无穷级数展开转化为二重无穷级数展开,同时z方向的本征值通过x和y方向本征值确定。为避免数值溢出问题,给出了一种有效的解决措施。数值仿真和水池试验验证了该声场计算方法的快速性和正确性。最后将该快速算法推广至水池矢量声场质点振速场的计算,仿真分析了水池矢量场声压、质点振速的分布情况。