混响水池声场特性研究及其建模分析
水下复杂声源辐射声功率的混响法测量技术研究
水下复杂声源辐射声功率的混响法测量技术研究水下运动目标的声学特性是水声学的重要研究内容，且水下运动目标大多都结构复杂，包括各种类型的声源，如机械、水动力及螺旋桨声源等。
水下复杂声源的声学特性包括声功率、指向性及频谱特性等。
在海洋环境下，由于不太容易修正海底及海面反射的影响，因此准确测量水下复杂声源的辐射声功率及频谱特性是很困难的，更无法实现噪声源分离。
混响法是建筑声学中常用的测量声源辐射声功率的方法，国际上已建立了相应标准；混响法在水下应用较少，主要是因为一般水池壁面的反射系数低，较难形成理想混响场。
本文主要研究非理想混响场条件下（非消声水池中）水下复杂声源辐射声功率的混响法测量技术，通过理论分析，实验验证等证明在非理想混响场条件下采用混响法也可以较准确地测量水下复杂声源的辐射声功率。
本文首先分析非刚性壁面矩形非消声水池中的声场特性，采用格林函数法推导出指向性声源在非消声水池离声源较远区域（混响控制区）空间平均均方声压与声源辐射声功率的关系，同时对声源的叠加性进行了验证，建立了水下复杂声源的混响法理论公式；针对低频声源测量的边界影响问题，扩展了Waterhouse校正并提出不同边界的统计平均校正，解决了混响场中水下低频声源的测量问题。
其次，研究了空间平均测量技术，研究了是否空间平均、空间平均不同方式及声源是否平均对声源辐射声功率测量结果的影响。
再次，在非消声水池中对水下复杂声源进行实验研究，测量了球型等标准声源的辐射声功率；测量了两相干球（同相位及反相位）与活塞型声源等指向性声源的辐射声功率。
实验研究了不同尺度非消声水池的尺度效应特性。
最后，对水下声源辐射声功率测量的不确定度进行了分析。
测量及研究结果表明：空间平均范围越大效果越好，若同时对源进行空间平均效果更好；采用混响法测量的标准球型声源的辐射声功率与自由场测量结果之间相差不超过1dB；玻璃水箱（软边界）中声源低频段基于统计平均校正而得到的辐射声功率与自由场测量结果相差不超过1dB；两相干球型声源（同相位及反相位）的辐射声功率测量结果与理论值相差不超过１dB，活塞型声源的辐射声功率测量结果与自由场测量结果基本一致；两个小球同时工作的辐射声功率正好是每个小球单独工作的辐射声功率之和；非消声水池越大，测量的空间平均声压级、信噪比及Schroeder截止频率越低；水下声源辐射声功率测量的A类不确定度不超过1.5dB。
基于混沌理论的水中混响建模及其应用研究的开题报告
基于混沌理论的水中混响建模及其应用研究的开题报告一、选题背景混响效果是音频信号处理领域里非常常见的一种效果，它可以让原本干巴的音频信号听起来更加自然、富有共鸣感。
水中混响是混响效果中的一种比较特殊的形式，它通常用于模拟在水下环境中传输声音的效果，具有很高的实际应用价值。
在水下通讯、声呐处理、水下防范等领域中，水中混响建模技术能够帮助我们更好地理解声波在水下环境中的传播规律，实现目标追踪、系统检测等重要功能。
近年来，混沌理论在信号处理领域中得到了广泛应用，特别是在混响效果建模方面。
传统的混响建模方法往往基于传输函数、声学参数等常规技术进行处理，难以准确反映水下复杂环境中声波的弥散和回声等特性。
而基于混沌理论的水中混响建模技术，可以更加真实地模拟水下环境对声波的影响，从而产生更加逼真的水中混响效果。
二、研究目的与内容本研究旨在基于混沌理论，研究水中混响的建模与应用技术。
具体研究内容如下：1.分析和比较目前水中混响建模的主要方法和技术，总结各种方法的特点、优缺点。
2.研究混沌理论在音频信号处理领域中的基本概念、特点及其在水中混响建模中的应用。
3.构建基于混沌映射的水中混响模型，实现水中声波的传播、回声、衰减、折射等特性的模拟。
4.对比混沌映射模型与传统建模方法，分析其在模拟混响效果方面的差异和优劣。
5.利用所提出的混沌映射模型，结合MATLAB等相关工具，进行混响效果的模拟和应用实验，验证模型的可行性和有效性。
三、研究意义本研究通过混沌理论和水中混响建模技术的有机结合，解决了传统建模方法在模拟能力方面的不足。
该方法可以更加真实地模拟水下声波的传播、反射、折射等特性，为水下通讯、防范、探测等领域的声学信号处理提供了更加全面、准确的支持。
通过混沌建模方法的研究，本研究还可以深入探讨混沌理论在其他领域中的应用，促进混沌理论在科学技术发展中的应用和发展。
四、研究方法本研究采用理论研究与实验室实测相结合的方法。
海洋混响数据的SαS分布建模
第42卷第1期2021年1月哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报Journal of Harbin Engineering UniversityVol.42ɴ.1Jan.2021海洋混响数据的SαS 分布建模王平波,卫红凯,娄良轲,代振(海军工程大学电子工程学院,湖北武汉430033)摘㊀要:为了有效抑制主动声呐混响,新型统计信号处理设计中常对海洋混响进行非高斯概率密度建模,本文在考察分析海洋混响数据的特点和SαS 分布的优势之后,将SαS 分布引入到混响非高斯概率密度建模中,给出了2种模型参数估计方法,并使用仿真和实测数据进行了验模,通过大量海试混响数据建模结果分析,对混响数据的SαS 分布规律进行归纳总结㊂研究表明:SαS 分布能够较好描述海洋混响的概率密度,其特征指数近半数集中在1.6~1.9㊂关键词:对称α稳定分布(SαS );高斯;声呐;非高斯;海洋混响;概率密度建模DOI :10.11990/jheu.201909030网络出版地址:http :// /kcms /detail /23.1390.u.20201215.0907.002.html 中图分类号:TN911.7㊀文献标志码:A㊀文章编号:1006-7043(2021)01-0055-06Oceanic reverberation probability density modeling basedon symmetric alpha-stable distributionWANG Pingbo 1,WEI Hongkai 1,LOU Liangke 1,DAI Zhen 1(College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)Abstract :To effectively suppress the active sonar reverberation,new statistical signal processing methods based on non-Gaussian probability density modeling are often designed.In this paper,after the investigation of the character-istics of oceanic reverberation data and the advantage of alpha-stable distribution (SαS),the symmetric SαS is in-troduced to the probability density modeling of non-Gaussian reverberation.The parameter estimation methods are briefly discussed,and the modeling method is validated using numerical and experimental instances.Finally,by a-nalysis of several oceanic reverberation trial data modeling results,some laws and conclusions are reached.The re-sults show that SαS can precisely fit the probability density distribution of the oceanic reverberation.Almost half of the characteristic index αestimations for reverberation vary from 1.6to 1.9.Keywords :symmetric alpha-stable distribution (SαS);Gaussian;sonar;non-Gaussian;oceanic reverberation;probability density function modeling收稿日期:2019-09-09.网络出版日期:2020-12-15.作者简介:王平波,男,博士生导师;卫红凯,男,博士研究生.通信作者:卫红凯,E-mail:whk200605@.㊀㊀在传统的声呐信号处理中,高斯模型占据着主导地位㊂随着现代主动声呐体制向低频㊁大功率㊁大孔径方向发展,混响对声呐性能的影响日趋严重,如何有效地抑制混响干扰成为主动声呐信号处理的首要任务㊂大量实践表明,沿袭传统的高斯分布假设,往往不能取得理想的抗混响效果㊂因此,放弃高斯假设而采用非高斯分布假设在水声信号处理业界已成为一种趋势[1-2]㊂近年来,α稳定分布作为一种非高斯分布模型,具有统计分布的稳定性和概率密度函数(probability density function,PDF)的代数拖尾特点,在信号处理领域受到了广泛的重视,己成为常用的冲激信号统计模型[3-7]㊂作为唯一的一类构成独立同分布随机变量之和的极限分布[4],α稳定分布是广义的高斯分布,通过调整特征指数α的值实现对PDF 拖尾厚度的控制,可以对PDF 为单峰钟形随机信号统计特性进行灵活地描述,比高斯分布具有更广泛的适用性㊂而以混响为主的主动声呐背景干扰,其瞬时幅度样本是均值为零㊁正负样本量大致相等㊁上下包络线基本对称的随机信号[1-2],即其PDF 恰好是以0为中心左右对称的单峰钟形曲线㊂因此,本文将原点位置对称α稳定分布(SαS,symmetric alpha-stable distribution)引入到混响非高斯PDF 建模中,并使用仿真和实测数据对这一建模方法的可行性和正确性进行检验,最后通过大量海试混响数据建模结果哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报第42卷分析,对混响数据的SαS 分布规律进行归纳总结㊂1㊀混响的特点与SαS 分布简介1.1㊀混响数据的特点海洋混响是海洋信道中一切散射作用的总和㊂从瞬时幅度上看,它是紧跟在发射之后㊁总体由强至弱的一连串衰减(可能还有起伏震荡)波形㊂图1给出了一段典型的主动声呐阵元级接收数据波形,从中可以分析归纳混响数据的一般特点㊂图1㊀一段典型的主动声呐阵元级接收数据波形Fig.1㊀A typical waveform of active sonarᶄs receiving data引发这段数据的发射信号是4s 脉宽的HFM 脉冲㊂前4s 为发射脉冲直达声,称为直达声区㊂事实上,发射伊始即引发混响,亦即,直达声区中也有不完整发射脉冲引发的混响,但因其混叠于直达声中难以分离,且此处视为主动声呐近程盲区,一般不对其内的混响进行研究㊂直达声结束后,数据幅度从与直达声等高度逐渐衰减,直至不再明显降低,大致如图中的4~12s 段所示,这一段是典型混响区域,称为混响限制区,该区域内,混响强度高于背景噪声,是声呐的主要背景干扰㊂大致从12s 向后,混响淹没于背景噪声之中,以海洋环境噪声为主的背景噪声成为主要的背景干扰,混响的影响可以忽略,而背景噪声是宽平稳的,故接收数据幅度不再明显变化,此段称为噪声限制区㊂根据声呐量程,噪声限制区可以延续很长,这里仅给出一部分㊂不难理解,研究混响数据的统计特性,要基于混响限制区内的数据进行㊂从图1中还直观可见,混响数据是0均值的㊁正负样本量大致相等㊁上下包络线基本对称,这意味着,可以使用0均值对称单钟型曲线来对混响数据的概率密度函数进行拟合建模㊂零均值高斯分布㊁混合高斯分布,和下面要介绍的SαS 分布,其PDF 恰好就是这样一类曲线㊂1.2㊀SαS 分布简介若随机变量X 具有如下形式的特征函数[3]:φ(t )=E [exp(i tX )]=exp{i μt -γt α[1+i βsgn(t )ω(t ,α)]}(1)则称X 服从α稳定分布,记为X ~S (α,β,γ,μ)㊂其中,ω(t ,α)=tan πα2(),αʂ1-2πln t ,α=1ìîíïïïï,sgn(t )=1,t >00,t =0-1,t <0ìîíïïï式中:α为特征指数,表征稳定分布脉冲特性强弱,αɪ(0,2],值越小,则所对应分布的拖尾越厚,非高斯脉冲特性越显著;γ为离差,亦称为尺度参数㊁分散系数,表征稳定分布随机变量偏离其均值或中值的程度,γɪ(0,ɕ),定义σ=γ1/α为标准离差;β为偏斜指数,表征稳定分布的偏斜程度,βɪ[-1,1],β=0㊁β>0和β<0时,分别对应稳定分布无偏斜(对称)㊁右偏斜和左偏斜情况;μ为位置参数,表征稳定分布的均值(α>1时)或中值(αɤ1时),μɪ(-ɕ,ɕ)㊂α稳定分布特征函数与其PDF 是一对傅立叶变换[3],可通过对特征函数进行傅立叶变换得到PDF:f (x ;α,β,γ,μ)=1πʏɕ0exp{-γt α}cos[(x -μ)t +γt αβω(t ,α)]d t(2)㊀㊀除几组特殊参数取值外,式(2)一般没有封闭的解析表达式,需要以数值积分方式计算[8-9]㊂图2给出了以这种方式计算绘出的不同参数取值时的α稳定分布的PDF 曲线比较㊂从各图中参数变化时的PDF 曲线对比,可以清晰地看到对应参数的物理意义体现㊂一些常见分布可以看作是α稳定分布S (α,β,γ,μ)的特例[3],比如:当α=2㊁β=0时,S(2,0,γ,μ)就是高斯分布(μ,2γ);当α=1㊁β=0时,S(1,0,γ,μ)就是柯西分布(μ,γ)㊂当偏斜指数β=0时,α稳定分布称为对称α稳定分布,记为SαS 分布㊂不难发现,高斯分布㊁柯西分布都是SαS 分布的特例㊂正常状态下的主动声呐背景干扰数据,包括混响数据,其样本都是无偏斜且0均值的,故可用位置参数μ=0的SαS 分布来拟合其PDF,可把这种分布称为原点位置SαS 分布,简记作S α(γ)㊂可以看到,S α(γ)分布仅有2个参数:特征指数α和离差γ,就像常用的高斯分布一样简洁㊂值得指出,在对混响数据进行非高斯PDF 建模时,堪用的模型,即使最简洁的二阶0均值混合高斯模型ZMGM(2),也有3个参数[1]㊂相对少的参数意味着相对快捷而精确的参数估计算法,在这一点上,S α(γ)具有无可比拟的优势㊂㊃65㊃第1期王平波,等:海洋混响数据的SαS分布建模图2㊀不同参数下的S (α,β,γ,μ)分布PDF 变化Fig.2㊀PDFs of S (α,β,γ,μ)with different parameters2㊀混响数据SαS 分布建模方法获取合格而足量的混响样本数据后,即可以原点位置SαS 分布对其进行建模㊂而建模的核心任务是,如何构建S α(γ)的2个未知参数α和γ估计器㊂一般的α稳定分布S (α,β,γ,μ)参数估计问题,已经有很多文献研究[3,8,10]㊂如前分析,混响数据实际上可以简化的α稳定分布,即S α(γ)分布进行PDF 建模,故针对这一特点,本文从诸多方法中予以选取并简化改进,建立了如下2种方法:正负矩法和对数矩法㊂2.1㊀正负矩法设随机变量X ~S α(γ),则有[3]:E(X p)E(X-p)=C (p ,α)C (-p ,α)=2tan(p π/2)αsin(p π/α),0<p <min(α,1)(3)式中:MX(p ) E(X p )=C (p ,α)γp /α(4)C (p ,α)=2p +1Γ[(p +1)/2]Γ(-p /α)απΓ(-p /2)(5)㊀㊀这里,Γ(㊃)为伽马函数,定义为[8]:Γ(x )ʏɕ0t x -1e -t d t(6)㊀㊀由式(3)~(5),有:sincp πα()=sin(p π/α)(p π/α)=2tan(p π/2)p πM X (p )M X (-p ),0<p <min(α,1)(7)㊀㊀通过样本统计得到X 的p 阶和-p 阶矩估计M^X (p )和M ^X (-p )后,代入(7)即可解出特征指数估计值^α,再代入式(4)即可解出离差估计值^γ,完成S α(γ)分布参数估计㊂不难发现,这种方法的起点是X 的正㊁负p 阶矩估计,故称为正负矩法,简记为NM㊂阶数p 的设定是正负矩法的关键之一,但多数文献中仅给出一范围指示[3,10],并无深入探讨㊂针对混响建模实际,本文采取如下做法:首先要根据经验确定待建模数据的特征指数下限值αmin (这一经验值的获取可通过下文所述的对数矩法建模总结),确保p 取值小于αmin 或1;为提高估计精度,可设置多组阶数值p i 通过式(7)得到多组估值^αi ,进行平均得到最终估值㊂2.2㊀对数矩法设随机变量X ~S α(γ),则由式(4)有:E(X p )=E(e p ln X )=C (p ,α)γp /α(8)㊀㊀引入负阶矩和分数阶矩概念后,式(8)在p =0处连续[3]㊂定义随机变量Y =ln X ,则Y 的矩母函数为:E(e pY ) ðɕk =0E(Y k)p k k !=C (p ,α)γp /α(9)㊀㊀故Y 的任意k 阶矩都是有限的,且满足:E(Y k)=d k d pk [C (p ,α)γp /α]p =0(10)㊀㊀k =1时可得Y 的一阶原点矩(均值)为:μY =E(Y )=1α-1()c e +1αln γ(11)式中c e 为Euler 常数㊂同理可得Y 的二阶中心距㊃75㊃哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报第42卷(方差)为:σ2Y=E{[Y -E(Y )]2}=π261α2+12()(12)㊀㊀混响建模实际应用中,可首先根据样本统计得到Y =ln X 的均值和方差估计^μY 和^σ2Y ,然后把^σ2Y值代入式(12)解得特征指数估计值^α,最后再根据式(11)解得离差估计值^γ,完成S α(γ)分布参数估计㊂可以看到,这种方法的起点是X 的对数变换及其一㊁二阶矩估计,故称为对数矩法,简记为LM㊂应当指出,式(11)与(12)中已无矩母函数自变量(亦即正负矩法的中阶数)p ,这就是说,对数矩法不需要p 初值设定,恰与正负矩法形成补充,二者估计结果可以相互印证㊂2.3㊀仿真实例首先使用PDF 可设定的仿真数据检验S α(γ)分布对高斯和非高斯PDF 的拟合能力㊂图3是一段标准正态分布随机序列的建模拟合情况㊂其中图3(a)为波形图,图3(b)为PDF 曲线对比,虚线为使用设定的高斯分布参数[μ,σ2]=[0,1]绘出的曲线,代表PDF 真值;实线为使用对数矩法S α(γ)分布参数估计[^α,^γ]=[2.0,0.5]绘出的曲线,代表PDF 拟合值㊂2条曲线几乎完全重合,这说明对于高斯数据,S α(γ)具有良好的PDF 拟合性能㊂图3㊀SαS 分布S α(γ)对高斯数据PDF 的拟合性能Fig.3㊀PDF fitting performance of S α(γ)for Gaussian data㊀㊀图4是一段非高斯随机序列的建模拟合情况㊂非高斯序列按参数[εI ,σ2B ,σ2I ]=[0.1,1,100]的混合高斯分布以复合抽样法[1]生成㊂(a)为波形图,从中可观察到大量 毛刺 (尖峰脉冲)突出,故这是一种比较严重的非高斯情形㊂图4(b)为PDF 曲线对比,虚线为使用设定的混合高斯参数绘出的曲线,代表PDF 真值;细实线为使用对数矩法S α(γ)分布参数估计(^α,^γ)=[1.4,0.7]绘出的曲线,代表PDF 拟合值㊂可以看到,这两条曲线几乎完全重合,这说明对于非高斯数据,S α(γ)同样具有良好的PDF 拟合性能㊂为了比较,图4(b)图中还绘出了以高斯分布拟合的PDF 曲线,参数估计为[^μ,^σ2]=[0,10.1],如粗实线所示,可见,这条曲线已远远偏离PDF 真值,说明高斯建模在这种情况下已不可用㊂图4㊀SαS 分布S α(γ)对非高斯数据PDF 的拟合性能Fig.4㊀PDF fitting performance of S α(γ)for non-Gaussian data3㊀混响数据的SαS 分布特性分析本节以数组低频主动拖曳线列阵声呐(0411三亚海试)数据分析为例,验证以混响为主的主动声呐背景干扰数据(即图1所示中的混响限制区内数据,简称为混响)SαS 分布PDF 建模方法的正确性,并初步归纳混响PDF 的SαS 分布规律㊂3.1㊀建模方法验证(0411三亚海试)发射3种主动脉冲信号:Ⅰ表示脉宽为432ms㊁频率为750Hz 的CW 脉冲,称为窄带短脉冲;Ⅱ表示同样脉宽㊁频带为650~850Hz 的LFM 脉冲,称为宽带短脉冲;Ⅲ表示脉宽为1296ms㊁同样频带的LFM 脉冲,称为宽带长脉冲㊂使用80元拖曳线列阵接收回波数据㊂进行PDF 建模前数据已经过带通滤波ң波束形成ң移频ң降采样ң幅值归一化等处理[1,11]㊂图5~7分别给出了3段3种脉冲混响数据的波形图和SαS 分布PDF 建模拟合图㊂为便于比㊃85㊃第1期王平波,等:海洋混响数据的SαS 分布建模较,图5~7(b)图中同时绘出了:①使用柱状图统计法得到的PDF 曲线,图中标记为HS㊂在足够样本量下,HS 曲线可视为真实分布㊂②使用正负矩法S α(γ)参数估计得到PDF 拟合曲线,图中标记为NM㊂③使用对数矩法S α(γ)参数估计得到PDF 拟合曲线,图中标记为LM㊂NM 和LM 方法得到的α㊁γ参数估计值也同时标记于图5~7(b)图上方㊂图5㊀一段窄带短脉冲混响数据SαS 分布验模Fig.5㊀SαS PDF fitting performance for a reverberation segment of narrow-band shortpulse图6㊀一段宽带短脉冲混响数据SαS 分布验模Fig.6㊀SαS PDF fitting performance for a reverberation segment of wide-band shortpulse图7㊀一段宽带长脉冲数据SαS 分布验模Fig.7㊀SαS PDF fitting performance for a reverberation segment of wide-band long pulse㊀㊀由图可见,负阶矩法㊁对数矩法2种参数估计方法得到的参数估计值几乎完全相同,拟合的NM 和LM 曲线几乎完全重合㊂而此二者又与统计得到的HS 曲线几乎完全重合㊂这说明,这2种参数估计方法具有几乎完全相同的PDF 建模精度,都能够真实反映数据的PDF 特性㊂换言之,SαS 分布S α(γ)可以精确反映混响数据的PDF,其参数估计选用正负矩法或对数矩法皆可㊂从运算速度看,对数矩法略优㊂下文选用对数矩法㊂3.2㊀建模结果分析选取(0411三亚海试)中不同方位通道㊁不同距离处的Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ3种发射信号引起的混响数据各5430段,以对数矩法进行SαS 分布建模㊂由于离差估值^γ仅反映数据值偏离中值或均值的程度,亦即基本反映数据功率的大小,而与数据的非高斯性关系不大,故这里仅考察特征指数估值^α的统计规律㊂表1给出了这些数据的建模结果㊂3组共计16290段数据的^α值皆分布于1.1~2.5,将1.1~2.0间隔0.1长度分为1段,得9个区间,由小到大表征依次削弱的非高斯性,而ȡ2.0则合为1个区间,表征高斯属性㊂表中第1列即显示了这种区间划分;第2~4列统计出各组数据^α值分别位于10个区间的百分比,统计的基数都是5430段;第5列则是3组综合的百分比,统计基数为16290段㊂由表可见,各组数据的^α没有低于1.1的值,少部分位于1.1~1.6,多数位于1.6~2.0,各有30%左右^αȡ2.0㊂考虑到时间平均量代替了统计平均量以及样本量的不足,可以把^αȡ1.9的情况视为近高斯分布,则各组占比分别为:信号Ⅰ组55.4%,信号Ⅱ组56.0%,信号Ⅲ组52.2%;把^α<1.9的㊃95㊃哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报第42卷情况视为典型非高斯分布,则各组占比分别为:信号Ⅰ组44.6%,信号Ⅱ组44.0%,信号Ⅲ组47.8%;把^α<1.6的情况视为强非高斯分布,则各组占比分别为:信号Ⅰ组6.0%,信号Ⅱ组1.1%,信号Ⅲ组3.2%㊂表1㊀海试混响数据α估值分布区间统计Table1㊀Statistics ofα-estimation intervals for the sea trialdata^α分布区间信号Ⅰ混响/%信号Ⅱ混响/%信号Ⅲ混响/%所有信号混响/%[1.1,1.2)0.0184000.0061 [1.2,1.3)0.0921000.0307 [1.3,1.4)0.62620.01840.05520.2333 [1.4,1.5) 1.91530.16570.75510.9454 [1.5,1.6) 3.29650.9392 2.3573 2.1977 [1.6,1.7) 6.3536 4.6041 6.0773 5.6783 [1.7,1.8)11.933713.388614.806613.3763 [1.8,1.9)20.386724.917123.775323.0264[1.9,2.0)19.539626.556226.758724.2848[2.0,ɕ)35.837929.410725.414430.221统计基数54305430543016290注:信号Ⅰ为窄带短脉冲;信号Ⅱ为宽带短脉冲;信号Ⅲ为宽带长脉冲㊂因此,可以说,混响数据的SαS分布特征指数近半数位于1.6~1.9,表现出一定的非高斯性㊂相较而言,宽带长脉冲信号引发的混响数据非高斯性略强,而窄带短脉冲信号引发的混响数据的特征指数分布范围更广(信号Ⅰ组有少量^α值散布于1.1~1.3,而信号Ⅱ㊁Ⅲ组则无)㊂4㊀结论1)SαS分布可对主动声呐背景干扰进行较好的概率密度拟合;2)在混响限制区内,主动声呐背景干扰的特征指数α近半数集中在1.6~1.9,表现出一定的非高斯性㊂参考文献:[1]王平波.主动声纳非高斯信号处理技术研究[D].武汉:海军工程大学,2006.WANG Pingbo.Study on non-Gaussian signal processing in active sonar[D].Wuhan:Naval University of Engineer-ing,2006.[2]王汗青.基于对称Alpha稳定分布的水声信号处理技术研究[D].武汉:海军工程大学,2012. 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基于SEA分析验证的混响箱-消声室实验方法设计及隔声性能研究
振动与冲击J0URNAL0FVIBRATI0NANDSH0CK第39卷第8期Vol.39Ne.82020基于SEA分析验证的混响箱-消声室实验方法设计及隔声性能研究张磊▽,郑旭1,陈军2,郝志勇1(1.浙江大学能源工程学院，杭州310027；2.万向集团，杭州311215)摘要：不同于以往的理论、经验设计，采用低频段的声固耦合法、中高频段的统计能量法"SEA)对设计的混响声场进行声学分析，提高混响水平。
根据虚拟结果建立混响箱实物，置于半消声室内进行测试，混响箱结构本体的噪声衰减量超过50dB，混响时间达到混响要求，混响场内不同位置声压值差距均小于2dB，该混响箱设计满足混响声场的要求；将SEA法隔声计算结果与应用混响箱-消声室法对板件的隔声测试结果进行对比，两者吻合良好；因此该实验方法能实现很好的隔声效果。
通过该方法可快速对单层板及夹层板件进行隔声测试,发现吻合频率效应对隔声性能影响较大;以上研究对工程应用有较大的参考意义。
关键词：统计能量法"SEA);声固耦合;混响声场;混响箱-消声室;隔声"STL)；夹层板中图分类号：TB5汀P391.9;0422文献标志码：A DOI：10.13465/ki.jvs.2020.08.037A reverberation chamber-anechoic room experimental method designbased on SEA analysis and STL researchZ.4NG Lei1，2，-./NG Xu1，C./N Wun2，.40Z4iong1(1.Co e geooEneegyEngoneeeong，ZheioangUnoeeesoiy，Hangohou310027，Chona;2.Wanxiang Group，Hangzhou311215，China)Abstract:Diberent from tha thevreticai and empibcai design，a st/ctura sound coupling method of low f/quency and aSEAmeihod oomod-hogh oeequencyweeeused ioanaeyoeiheeeeeebeeanisound ooeed ioonceeaseiheeeeeebeeaioon level.Tha reverberant chambar was designed and made based on vibuai result.Tha entity was placed into tha anechoic room to ba tested，which shows that tha reverberation tiw meets tha request and tha SPL in dbferent positions of tha sound field only has gap within2dB between each other.Tha STL result of tha SEA method for panel was compared with iheieLieeLueibyuLongiheeeeeebeeaioon chambee-anechooceoom meihod，whoch LhowLgood ageeemeni.Theecpeeomeni method thus can/liza great STL effect.By using this method to test sound insulation of singia layar panel and sandwich panel rapidly，it was found that coincidenco frequency effect has a significant ibpact on STL pe/ormanco.Tha above findings offer meaningful reference to tha engineering application.Key words：statistical energy analysis(SEA);st/ctural-ecoustlc coupling;reverberant fielJ;reverberation chamber-enecholc room;sound transmission loss"STL);sandwich panel在声学工程中，混响条件在分析和测试中是十分重要的。
循环式混响水池水动力学及声学特性研究
循环式混响水池水动力学及声学特性研究准确测量水下航行器的水动力噪声对合理评价水下航行器的噪声性能具有重要意义。
目前,只能在海洋中直接测量水下航行器原型的水动力噪声,实验成本高,测量结果受海底和海面多途干涉等的影响,而在循环水槽中只适合进行缩比模型的水动力学实验,也不具备测量模型的水动力噪声的条件。
水下混响法在混响水池中测量复杂声源的辐射声功率具有很多优点,如测量过程可重复、测量结果可信度高、测试环境背景噪声较低、测试条件较容易满足等,但若在混响水池中测量水下航行器的水动力噪声,流场紊乱、气泡较多等因素会导致测量结果不准确。
为了解决上述难题,本文设计了循环式混响水池这一新型水动力噪声测量设备,既能够满足模型或原型水动力学测量的流场条件,也满足了使用水下混响法测量模型或原型的水动力噪声的声学测量条件。
本文通过Fluent流场仿真研究了螺旋桨在循环水池工作段旋转的模型与螺旋桨在开阔水域旋转的模型的流场特点,仿真结果表明循环水池内流场起伏比开阔水域中剧烈。
本文搭建了循环式混响水池实验测量系统,研究了螺旋桨在外接动力循环式混响水池内工作的声场特点和螺旋桨在无动力循环式混响水池内工作的声场特点,实验得出了如下结论:(1)外接动力循环式混响水池和无动力循环式混响水池均有效降低了螺旋桨伴流场的流噪声;(2)在无动力循环式混响水池中安装导流管,可以进一步降低螺旋桨伴流场的流噪声;(3)无动力循环式混响水池适于对螺旋桨或其他带桨模型进行水动力噪声实验;外接动力循环式混响水池适于进行无动力模型的水动力噪声实验;(4)水下混响法适用于水动力噪声测量。
水下声场的动态特性与测量技术
水下声场的动态特性与测量技术水下声场可真是个神秘又有趣的领域！就像一个隐藏在深海中的秘密世界。
想象一下，你潜入深深的海底，周围是一片寂静，但其实隐藏着无数的声音波动。
水下声场就像是这个隐藏世界的语言，它有着自己独特的动态特性，就像人的喜怒哀乐一样多变。
咱们先来说说水下声场的动态特性。
它可不是一成不变的哦，就像小孩子的心情，一会儿开心，一会儿又闹脾气。
比如说，在不同的深度，声音传播的速度和衰减程度都不一样。
浅水区和深水区就像是两个不同的“声音王国”。
在浅水区，声音可能传播得比较快，就像在平坦的大道上奔跑的汽车；而到了深水区，声音就像是遇到了曲折的山路，传播速度变慢，衰减也更厉害。
还有啊，不同频率的声音在水下的表现也大不相同。
低频声音就像个沉稳的长者，能传播得更远；高频声音则像个调皮的孩子，跑不了多远就累得没劲儿了。
这就好像在学校里，有的同学擅长长跑，能坚持很久；而有的同学短跑厉害，但耐力不足。
再说说水下环境的影响。
水温的变化就像是个爱捣乱的小鬼，一会儿让声音跑得快，一会儿又把声音拖住。
海底的地形也是个重要因素，比如遇到陡峭的悬崖或者平坦的海底平原，声音的传播都会受到影响。
这就好比我们在爬山的时候，声音在陡峭的地方容易被挡住，在平坦的地方就能传得更远。
那怎么测量水下声场呢？这可不是个简单的活儿。
就像我们要测量一个调皮孩子的行踪一样，得有巧妙的办法。
一种常见的方法是用水听器。
这东西就像是水下的“耳朵”，专门捕捉声音的信号。
不过，选择合适的水听器可不容易，就像选一双合脚的鞋子，得考虑它的灵敏度、频率响应等好多因素。
有时候，为了更准确地测量，还得把好多水听器组成一个阵列，就像一群小伙伴手拉手一起工作。
还有一种方法是利用声学模型。
这就像是给水下声场画一幅地图，通过各种数学公式和计算，来预测声音的传播和变化。
但这可不像在纸上画画那么简单，需要对海洋环境有非常深入的了解，不然画出来的“地图”可就不准啦。
我记得有一次，我跟着一个科研团队去海边做水下声场的测量实验。
混响环境中声场重构的实验研究
混响环境中声场重构的实验研究王潇;陈志敏;宋玉来;金江明;卢奂采【摘要】针对混响环境非自由声场中声源测量的问题,本文以消声水池和混响水槽为实验环境,以换能器辐射的声场为研究对象,以水听器阵列为测量前端,进行了混响环境非自由声场中声源对象的测量、分析和重构的实验研究.通过单层水听器阵列对非自由声场进行声压分布测量,并对测量结果作声波分离处理,将分离前后的声压分布和在消声水池中测量的声压分布进行比较,给出了声源频率为5 000 Hz和7 000 Hz时,声场重构的误差分析结果.结果表明,基于单层水听器阵列声压测量的声波分离方法,能够较精确地对混响环境中的声场进行重构.【期刊名称】《海洋学研究》【年(卷),期】2016(034)003【总页数】5页(P86-90)【关键词】混响环境;单层水听器阵列;非自由声场;声波分离;声场重构【作者】王潇;陈志敏;宋玉来;金江明;卢奂采【作者单位】浙江工业大学机械工程学院特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,浙江杭州310014;海军工程大学动力工程学院,湖北武汉430033;嘉兴学院机电工程学院,浙江嘉兴314001;浙江省信号处理重点实验室,浙江杭州310014;浙江工业大学机械工程学院特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】O422.2混响水槽是很多实际物理环境的一个简化模型，所以对其中的非自由声场的研究将具有非常重要的意义。
现有的一些关于自由声场重构的研究，多是基于近场声全息方法(Near field Acoustic Holography, NAH)[1-2]，NAH是通过靠近结构表面的传声器阵列，采集声源结构发出的包含倏逝波声信号，根据声场逆运算算法，重构出不受声波波长限制的高精度三维声学图像。
由于在非自由声场中，无法用NAH方法准确地重构出声压的分布，需要通过声波分离的方法来分离出目标声源辐射的声场。
浅海海底混响建模及相关特性的研究
浅海海底混响建模及相关特性的研究
浅海海底混响一直以来都是水声研究中的热点问题,但是以往的研究多基于经验散射模型,这不利于混响物理机制以及复杂双基地三维混响问题的研究。
本文根据混响的成因首先研究了不同类型海底(流体、弹性体、多孔弹性体)的散射问题,包括粗糙界面的声散射与沉积物中非均匀性引起的体积散射。
对于粗糙界面的声散射问题,对比分析了两种经典方法(微扰、Kirchhoff近似)与小斜率近似理论的差异,结果表明利用小斜率近似方法处理粗糙界面的声
散射问题比传统经典理论具有更高的精度以及更宽的适用范围。
文中同时利用小斜率近似方法分析讨论了不同介质的粗糙散射特性。
对于体积散射问题,分别利用流体、弹性体介质的微扰散射理论研究了不同介质的体积散射特性,并简要分析了声散射对声传播的影响。
将上述物理散射模型与射线模型以及简正波模型相结合,建立了基于物理散射模型的射线、简正波混响模型。
由于简正波理论在处理浅海声场时具有较多的优势,所以本文主要利用简正波混响模型分析海底混响的特性。
论文首先利用该模型计算了单、双基地的混响强度,并简要分析了二者强度的关系;其次着重分析了不同类型的散射(粗糙散射、体积散射)引起的混响强度随海底参数的变化情况;进而利用本文模型计算得到
了收发合置混响的垂直相关特性,并研究分析了混响垂直相关特性的性质、变化规律以及影响机制;最后利用本文模型对混响的时域波形进行了预报,分析了混
响时域信号的统计特性。
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2019年第1期声学与电子工程总第133期混响水池声场特性研究及其建模分析王少博（第七一五研究所，杭州，310023）摘要针对在混响水池中开展声学测量的问题，通过波动声学理论和统计声学理论对矩形混响水池内的点源声场进行了分析并确定了混响水池中满足扩散场所需要的条件。
最后利用声学仿真软件Virtual Lab建立混响水池的有限元模型，进行声场及混响时间的计算，计算结果与理论推导相吻合，确定了扩散场区域，为进一步的实验研究提供了指导。
关键词混响水池；点源声场；扩散场；有限元混响声场是指在一定空间内，声场由直达声和反射声、散射声叠加的声场。
混响室是空气声学研究中经常使用的实验装置，其理论发展较成熟。
在混响室声模态方面，Richard Bolt1'1和Schroeder⑵等人在混响室声模态统计及模态密度方面作岀了很多贡献，总结了如何计算频带内模态数量及满足测量精度要求的频率。
1955年，Richard Cook［3］将统计分析应用于室内声学中，定义了两空间点均方声压的相关系数，其后很多作者通过混响声场的相关函数研究其特性。
Morse、Ingard⑷等人研究了点源声场的理论及实验，结果表明通过改变点源的位置可以激励很多交叠的模态。
由于水池的反射系数较低，所以水下较难建立理想的混响场，而只有满足或近似满足扩散场特性（声能密度均匀）才能够进行声学测量。
若能通过对混响水池声的研究，分析混响水池的声场特性,确定混响水池中扩散场的区域，对在混响水池中开展声学测量工作有重要意义。
1混响水池声场特性分析混响水池一般都有光滑的壁面，上表面敞开,无遮盖。
声源在其中发射时，声波经各侧壁的反射、叠加，形成了混响声场。
假定混响水池为矩形，长、宽、高分别为d ly、I”如图1所示。
P=^-icr=p o c o/Z（p0,c0,Z分别为水的密度、声波在水中传播的速度及池壁的阻抗），水池的上表面为自由边界，可以用绝对软边界来近似。
1.1波动声学分析1.I.I矩阵非消声水池内的简正波用直角坐标系表示的波动方程为：d2p d2p d2p_1d2pdx2dy2dz2c dt2(1)把坐标原点取在水池的一个角上，想水池壁面的边界条件为：V x\x=Q,x=l x= 0V y1^=0,^=0P=0满足上述边界条件的特解为p n=A n”斤cos k x x cos k v y cos k z zQ］（°nt（3）”n v n（Z+十）兀式中，=~，此=——,k z=--------（依〃z=0,l,2,3...）。
相应的每个特解的特征频率（简正频率）为:可以写出理(2)图1混响水池示意图水池池壁及池底都贴有瓷砖，其相对声导纳为C2+—（、2n.+n v2I+/\y y2(4)1\7对应每一组（％®,心）数值的特解就决定了一种平面驻波，水池内的总声压就是所有特解的线性叠加。
根据式（4）得到矩形水池的前20阶简正频32王少博：混响水池声场特性研究及其建模分析表1矩形水池50mx15mx10m前20阶简正频率率如表1所示。
n x从n z/./Hz n x n y n2/./Hz00037.041085.510039.951096.320047.4020105.430057.8120106.401061.7220109.511063.4001111.02106&4101112.040069.8320114.331076.0201114.950082.7301119.6通过建立波数E的直角坐标系，可以估计得到频率低于/的简正波总数为："今唯卜樂）G+⑴+界（5）将式（5）对频率进行微分，可得在炉内的简正频率数：兽=4寂再+/（仏+仏）+卜（6）d/c c 2c式（6）表明在频率/附近的於频带内的简正频率数基本上与频率平方成正比，随着频率增高增加得更快，因而当频率较高时，大量简正波的叠加可以把驻波效应“平均”，而使室内声场趋向均匀。
1.1.2矩形非消声水池内点源声场分析根据Morse室内声学理论同，在点r处由％处的简单声源所产生的声压可以由特征函数（即1.1.1中波动方程的特解）的级数表示，稳态声压的级数解为：P（rr）_込殖y「V彳［2©/（戈劲］+兀（0：/劲-切（7）式中，/是混响水池的体积；©（/•）为矩形水池中第"简正波的本征函数；勺=1,£”=2（/#1时）；©为简正模态的频率；5”为声能的衰变率，等于每秒衰减的奈培数，反映了％,（/•）的衰减特性。
对P（F,f）在整个空间里进行空间平均可以得到空间平均均方声压〈尸〉：Po c oQ…y__________2厂屮［2©/(戈劲］2+［⑷/0)-®F(8)式中，声源因子E伉仇），当声源在空间里移动时，可以消除声源位置的影响，此时E,v仇）=1，平均均方声压〈尸〉变为：（尸\=曲0：y____________J_____________ '/2尸？［2q/（r,e）『+［（0：/e）-0］2（9）上述公式表明，在混响水池内对水听器的灵敏度进行校准时，对水听器及声源进行空间平均，可以降低混响水池中简正波所带来的影响，提高测量精度。
1.2统计声学分析混响水池的声能由两部分组成：一是直达声，二是混响声能。
叠加声场的总平均能量密度应为：£=£d+£r(10)式中，直达声平均能量密度£D=JV/（47ir2c0）,W是声源平均辐射功率，r为接收点距离声源的径向距离，co为水中声速。
同时由文献［4］可知稳态混响平均声能密度爲=4廉/（他c°）,局为房间常数。
（P2）考虑到w=T，可得Po c o(11)式中，括号中前一项表示直达声的贡献，后一项表14示混响声的贡献。
当一=—时，直达声与混响4兀厂$r°声的大小相等。
此时有临界距离r h=|当/O2*时，混响声比直达声大6dB,直达声 的作用可忽略，可以定义此区域为混响控制区。
为了提高信噪比，通常取r>4r h（混响声比直达声大R°12dB),即％2V71房间常数局，定义如下:R°=Sa(12)式中,S为水池的壁面总面积，圧为平均吸声系数。
同时由文献［4］可知混响时间几。
可以由下式表示：55.27-c0S ln(l-a)(13)人。
33王少博：混响水池声场特性研究及其建模分析联立式（12）、（13）,可得：55.2/凡=S（e隔-1）（14）即可以通过测量混响水池的混响时间n0来得到扩散场区域距离声源的距离另外扩散场区域离壁面距离>〃4。
2混响水池声场特性的建模分析建模分析采用LMS Virtual Lab Acoustics软件⑸,这是专门用于声学分析的CAE软件，基于Sysnoise 发展而来，不仅继承了Sysnoise的功能，还发展了快速多级边界元（Fast Multipole-Boundary Element Method,FM-BEM）技术、有限元自动匹配层（Finite Element Method-Perfect Matched Layer/Automatic Matched Layer,FEM-PML/AML）技术、时域边界元和有限元（Time Domain-Boundary Element Method/Finite Element Method,TD-BEM/FEM）技术、自适应声学单元（Finite Element Method with Adaptive Order,FEM A O）技术、声线法（RAY）等。
通过FEMA0技术可以在降低建模精度的条件下保证计算精度，缩短了计算时间。
计算目标为混响水池，长宽高分别为50m、15m、10m。
水池上表面为水■空气界面，水池壁面及底部为混凝土结构，其密度为严2.4x10）kg/m3,杨氏模量^UxlO^N/m2,泊松比o=0.21,由此可计算得到声波在混凝土中的纵波传播速度为c=2824m/s。
取水的密度为/>o=l.OxlO3kg/m3,声波在水中传播速度为c（）=l480m/s,可求得壁面及底部的垂直入射反射系数为7?=0.67o因此水池模型壁面及底部反射系数为0.67,上表面为空气阻抗416kg/（m2s）o2.1混响水池点源声场分布计算首先计算混响水池的声模态，即简正频率的计算。
心=2、®=2、”z=0时的水池声模态图如图2所示，此时简正频率>109.5Hz,同表1理论计算结果相吻合。
图中红色区域表示驻波的极大值点，蓝色区域表示驻波的极小值点，心=2表示在x方向上 的驻波有两个半波长。
基于声模态计算混响水池的点源声场，点源设置在距离水池左侧壁面5m处的中心位置，100Hz时的水池声场分布图3所示，在距离声源较近处，声场较为复杂，在距离声源较远处，声场起伏较小，近似满足扩散场条件。
图2吐=2、n y=2>〃z=0时的水池声模态（户109.5Hz）图3100Hz时水池声场分布2.2散场区域确定由1.2中理论推导可知，确定混响水池扩散场区域需要混响水池的混响时间，由于模型尺寸较大,故采用声线法进行计算〔讥水池模型如图4所示，灰色网格为水池边界。
图中橙色矩形网格是场点网格，距离水池上表面5m,相当于距离上表面5m 处的剖面。
点源距水池左侧壁7m,距上表面5m,距前壁面7.5m o图4水池模型图通过计算得到100Hz时水池混响时间T60分布如图5所示，由图可知，距离点源较远处（大于20 m）的混响时间约为0.135s,根据1.2节推导的公式可得r>31m处为混响控制区（同时距离壁面及表面应有一定距离）。
图5混响水池心分布（下转第39页）34易燕等：双层钛合金导流罩平板模型的低频斜入射透声性能测试810121416182022242628303234363840/kHz图12双层板间距32mm,声波从-45°~0°(垂直)入射,模型的插入损失测试频谱图(上接第34页)100Hz时水池声场分布如图6所示，为垂直于z轴的声场剖面图。
由图可以看出距离声源约31m 处有较大区域声场稳定，可以认为此区域为混响控制区。
200-400Hz时有类似结果。
1140136132128125Pressure Amplitude dB(RMS)121图6混响水池声场剖面3结论本文首先通过波动声学理论和统计声学理论分析了混响水池的声场特性，然后通过仿真建模验证了混响水池的特征频率，并确定了扩散场区域。
通过建模分析对于长宽高分别为50m、15m、10m 4结论本文用宽带换能器和反滤波压缩脉冲测试技术，通过合理的水下声场布置和时间窗选取，解决了双层钛合金导流罩平板模型低频段和大角度测试难度问题。