Page 116 - 《应用声学》2023年第4期
P. 116

778                                                                                  2023 年 7 月


             收水中的信号时,其正交归一性不是很好,但其他号                           距离的声压矩阵 p(r, z),实验中声源深度为 55 cm
             简正波为在水中传播的简正波,水中声场里其他号                            时,不同深度水听器接收到的时域信号以及时频分
             简正波的正交归一性都较好,通过KRAKENC计算                          析结果如图9所示。
             水池环境中,119 采样点前 20 号简正波的正交归一
                                                                         10 cm
             性对比,如图7所示。
                  1.0                                                        55 cm
                                                                     60 cm
                  0.8

                  0.6                                                          60 cm     29.5cm
                ࣨϙ
                  0.4
                  0.2

                   0
                      0       5      10      15      20                      图 8  实验过程示意图
                                    വগՂ஝
                                                                 Fig. 8 Schematic diagram of experimental process
                      图 7  各号简正波正交归一性对比
               Fig. 7 Comparison of orthogonal normalization       图 9(a) 为 0.5 cm、20 cm、40 cm 以及 59.5 cm
               of normal waves                                 深度的水听器接收到的时域信号以及监测信号,横
                 在实验所取的 119 采样点下,除 Scholte 波外,                 轴为时间,纵轴为时域信号的幅值,蓝色曲线为声
             其他号简正波的正交归一性都很好,因此本文采                             源发射信号的监听信号,红色曲线为水听器接收到
             用优先从声场中提取出其他号简正波,最后提取                             的时域信号。图 9(b) 为 0.5 cm、20 cm、40 cm 以及
             Scholte波模态幅度的方法来降低实验的误差,提高                        59.5 cm深度水听器时域信号的时频分析。从图9中
             实验的精度。                                            可以看出,水听器接收到的时域信号无法直接分离
                                                               出Scholte波,时频谱中也无法分辨。因此本文采用
             3 实验结果                                            简正波分解的方法来进行处理,首先通过监听信号

                                                               与水听器信号做相关处理,可以获取不同位置水听
                 在进行实验之前,首先进行实验水池的水温
                                                               器之间的时延信息,组成119采样点数的垂直阵。分
             测量,根据纯水声速的经验公式计算当前实验环
                                                               别取 119 个采样点与 59 个采样点的结果进行处理,
             境下的水声声速是 1485 m/s。声源为球形换能器,
                                                               得到 Scholte 波模态幅度系数 Φ 0 (r),并对结果进行
             50 kHz 时声源级大约为 140 dB。声源深度设定
             为距离水面 0.1∼0.55 m 的 10 个点位,深度间隔为                   归一化处理后与理论值进行比较。比较两组实验数
             0.05 m。通过行车系统的标尺来确定声源的位置。                         据59采样点与119采样点的实验结果。结果如图10
             每次声源深度调整后,在固定的水平传播距离处,                            所示。
             使用两个相距 29.5 cm 的水听器接收信号。通过                            图 10 中红色曲线为 119 个采样点并通过优先
             步进电机控制水听器垂直移动,深度从 0.5 cm 到                        提取其他号简正波的处理方法得到的 Scholte 波模
             59.5 cm,每 0.5 cm 进行信号采集,通过合成孔径方                   态幅度系数随声源深度变化的实验结果,蓝色曲线
             法组成 119 阵元的垂直阵,完成 119 阵元一次采样                      为 59 采样点的实验结果。图 10(a) 是垂直阵与声源
             时间约为 40 min,在此期间池水环境保持时不变,                        水平距离为0.6 m 的结果,图10(b)是垂直阵与声源
             首末阵元接收信号具有相关性。使用 10 个周期的                          水平距离为声源 1.2 m 的结果。两个不同接收距离
             正弦脉冲信号,信号发射周期为 1 s,采样频率为                          的结果均与理论值吻合,证明实验测得了 Scholte
             1000 kHz,采样周期为 1 s,声源频率使用 50 kHz。                 波。对比两个不同接收距离的结果,采用 119 采样
             实验过程如图8所示。                                        点且优先提取其他号简正波的实验结果明显与理
                 实验进行了接收距离为 0.6 m 和 1.2 m 的两组                  论值更加接近,误差更小。通过增加采样点数以及
             实验,通过对接收到的时域信号进行傅里叶变换,获                           优先提取其他号简正波的方法,有效改善了实验结
             取通过垂直阵测量得到的对应声源深度以及接收                             果,使实验结果更接近理论值。
   111   112   113   114   115   116   117   118   119   120   121