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《哈尔滨工程大学》 2007年
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矢量水听器及其在平台上的应用研究

时胜国  
【摘要】: 矢量水听器是由传统的声压水听器和质点振速水听器复合而成,可以同步、共点测量声场空间一点处的声压和质点振速的三个正交分量,这不仅有助于改善水声系统的性能,而且也拓宽了信号处理空间。矢量水听器具有良好的低频指向性、较强的抑制各向同性噪声能力等诸多优点,也为解决水声问题提供了新的思路和方法。随着矢量水听器技术的日益成熟以及在军事需求牵引下,矢量水听器技术已被广泛地应用于水声各领域,目前成为水声界最为活跃的研究方向之一。但矢量水听器技术是一项新兴技术,其信号处理方法和工程应用的潜力还有待深入研究。 本文在回顾矢量水听器技术发展及其工程应用研究的基础上,以矢量水听器在水下作战平台上的应用为研究背景,对同振式矢量水听器的设计理论、弹性悬挂系统的动力学特性以及水下工作平台近场声散射和随机晃动等对矢量水听器测向性能的影响等方面进行了系统、全面的理论和试验研究。 本文首先以同振式振速水听器的测量原理为基础,从理论上系统性地分析了同振式矢量水听器的声波接收理论和弹性悬挂系统的动力学特性,建立了矢量水听器理论分析方法;推导了自由运动刚性球体和弹性球体声波接收响应数学表达式,分析了振速水听器几何尺寸、平均密度与其频响特性曲线之间的关系;推导了矢量水听器声压接收响应数学表达式,得到了振速水听器表面上的声压分布规律以及声压水听器的声波接收压力系数与其接收面的大小、质点振速水听器的半径、布放的位置和半径等参数之间的关系。另外,还建立了矢量水听器—弹性悬挂系统受力分析模型,并从理论上分析了系统的谐振频率及其对矢量水听器声波接收响应的幅值和相位影响。 本文以水下弹性球壳为研究对象,从理论上研究了弹性球壳近场声散射和声透射对矢量水听器声场测量的影响;推导了平面声波在弹性球壳上近场声散射和声透射的矢量声场数学表达式,计算了不同壳体参数下内充空气弹性球壳声散射和内充水弹性球壳声透射矢量声场对矢量水听器各通道声波接收响应幅值和相位以及各通道接收指向性的影响。理论分析表明:弹性球壳近场声散射对矢量水听器接收声场的影响具有明显的频率特性;而弹性球壳透射声场对矢量水听器接收声场的影响与水听器安装位置密切相关,水听器安装偏差对其声场测量影响比较大。 本文针对矢量水听器在水下平台上应用所面临的实际情况,从矢量水听器各通道幅度及相位的不一致性、平台近场声散射和随机晃动等几个方面对矢量水听器目标定向性能的影响进行了系统研究。从理论上分析了矢量水听器各通道幅度及相位不一致性对其目标定向精度的影响;建立了平台近场声散射对矢量水听器目标定向性能影响计算模型,分析了入射声波信号频率和入射角度以及矢量水听器安装位置对目标定向的影响;建立了随机晃动平台运动模型,分析了观测平台随机晃动所引起的测向误差。文中对比分析上述三种测向误差的影响特点,提出了相应的修正和降低测向误差的方法和措施。 通过弹性壳体近场声散射对矢量水听器声场测量和目标定向性能影响的水池试验研究,进一步分析了水下弹性球壳、两端带半球帽柱壳和两端封闭短柱壳近场声散射对矢量水听器声波接收响应的频率特性、接收指向性以及对目标测向性能影响,验证了理论分析结果的正确性,也为矢量水听器下一步的实际工程应用提供了试验基础。
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