声学学报

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

2021年第46卷第1期

目录封面

上一期 | 下一期

选择全部

显示方式:

随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型

陈文剑, 厉夫兵, 殷敬伟, 周顺博, 孙辉, 郎鹏远

2021, 46(1): 1-10. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.001

摘要(65) [PDF 7466KB](15)

摘要:
针对随机起伏冰面的声散射问题,建立了随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型。利用Delaunay三角剖分方法对随机起伏冰面进行三角面元剖分,然后采用Z-buffer算法进行面元的遮挡消隐,得到处于声波照射亮区的面元,最后采用Gordon面元积分的板块元方法计算得到随机起伏冰面的散射强度。数值计算模型中,将冰面认为是局部阻抗表面,直接代入起伏冰面局部反射系数进行散射声场的计算,避免了解析计算模型中对反射系数的近似处理。对比分析了数值和解析计算模型在小粗糙起伏冰面、大粗糙起伏冰面及不同声波入射角和不同声波频率时的散射强度。相比解析模型计算结果,数值模型计算结果与实测结果更吻合。

相关时延及频谱不对称对声学多普勒测速偏差影响

黎美琪, 王长红, 邓锴

2021, 46(1): 11-22. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.002

摘要(54) [PDF 3313KB](9)

摘要:
研究了复协方差频移估计测速下相关时延及接收信号频谱幅值不对称对声学多普勒测速偏差的影响。不考虑测速公式简化误差,复协方差频移估计测速偏差可以简化为多普勒频移测量偏差。经推导,不考虑发射信号波束开角的窄带测频无偏、宽带测频有偏;考虑波束开角的窄带测频和宽带测频均有偏。相关时延不准确且频谱不对称是该偏差的重要来源。仿真分析表明,点回波模型下,消除时延不准确或频谱不对称影响,测频偏差可趋于0。基于上述发现,建立底跟踪多普勒测速声呐的相位、幅度双重加权的椭圆网格测频模型;给出相同脉冲长度下窄带与宽带测频偏差存在差异的理论解释。利用所建宽带测频模型仿真出真实频移与估计频偏的拟合曲线,进而对实际数据进行修正,水槽实验场景速度测量相对偏差从1.14%降至0.78%,最大绝对值从2.83%降至1.83%;海试场景速度测量相对偏差从4.79%降至3.82%。

稀疏矢量阵信号栅瓣及对称伪峰干扰抑制

孙大军, 张珂, 梅继丹, 马超, 魏秋雨

2021, 46(1): 23-34. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.003

摘要(51) [PDF 5625KB](14)

摘要:
稀疏矢量阵进行宽带信号处理时,强目标的栅瓣及对称伪峰会干扰弱目标的检测,提出了一种基于理论干扰预测的加权抑制方法。方法利用矢量阵波束形成先获得强目标的波达方向(Direction Of Arrival,DOA)信息以及目标所在方位各频率的幅度谱信息,再利用理论计算公式获得强目标的栅瓣和对称伪峰角度上对应的各频率点的幅度谱强度信息,通过在方位、频率维度加权的方式对强目标的栅瓣和伪峰干扰进行抑制,来改善在强干扰下的弱目标检测能力。方法也适用于多目标情况,对各个目标依次使用,减少多目标时栅瓣和对称伪峰对方位历程的影响,净化了时间方位历程图。对所提方法给出了理论推导过程并进行了仿真和实验验证,实验结果验证可行。结果表明,新方法可以有效地抑制强目标的栅瓣和对称伪峰干扰,提高弱目标的检测能力,此外,净化后的时间方位历程图更利于弱目标检测和目标数量的估计。

水声通信中后验符号概率密度分布及概率成形容量分析

吴喜胜, 武岩波, 朱敏, 李栋, 房小芳

2021, 46(1): 35-45. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.004

摘要(66) [PDF 4590KB](6)

摘要:
考虑到实际水声信道复杂特性对水声通信的影响,对系统的通信容量进行计算分析,并研究了一种适用于水声信道的容量评估算法。文中通过对不同条件下的均衡器输出的后验符号特性进行统计分析,提出了一种基于后验高斯分布的符号方差分段转移函数模型。在此基础上,采用Maxwell-Boltzmann分布来改变均衡器输出符号的成形分布,即引入概率成形技术对实际的水声通信系统容量进行评估分析。最后通过对水池和湖试多径信道数据的处理,获得了不同调制方式下的通信容量。结果显示,在特定的信噪比区间内,概率成形技术比传统的等概率映射的容量提升最大可达0.5 bits/symbol。

浅水海豚三维空间定位与发声源级测量

薛睿超, 杨燕明, 王先艳, 吴福星, Watchara Sakornwimon, Kongkiat Kittiwattanawong, 牛富强

2021, 46(1): 46-54. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.005

摘要(64) [PDF 3459KB](6)

摘要:
详细阐述了单水听器和水听器阵列进行海豚定距定位的几何模型,以及利用不同接收通道间的时延差计算空间坐标的方法,结合实验数据计算了海豚在水中的三维空间坐标和回声定位信号的声源级,并开展了海豚运动轨迹追踪分析。结果表明,相对于单水听器,水听器阵列对测量环境和海豚行为的限制较少,但对采集设备的同步性和硬件连接有较高要求。误差分析表明水听器阵列在大于3 m的距离,定位误差可降低到5%以下。研究结果为精确计算海豚发声源级及海豚的声呐性能及行为研究提供了技术支撑。

噪声情况下采用稀疏非负矩阵分解与深度吸引子网络的人声分离算法

葛宛营, 张天骐, 范聪聪, 张天

2021, 46(1): 55-66. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.006

摘要(57) [PDF 7487KB](7)

摘要:
为实现噪声情况下的人声分离,提出了一种采用稀疏非负矩阵分解与深度吸引子网络的单通道人声分离算法。首先,通过训练得到人声与噪声的字典矩阵,将其作为先验信息从带噪混合语音中分离出人声与噪声的系数矩阵;然后,根据人声系数矩阵中不同的声源成分在嵌入空间中的相似性不同,使用深度吸引子网络将其分离为各声源语音的系数矩阵;最后,使用分离得到的各语音系数矩阵与人声的字典矩阵重构干净的分离语音。在不同噪声情况下的实验结果表明,本文算法能够在抑制背景噪声的同时提高分离语音的整体质量,优于结合声噪人声分离模型的对比算法。

用于自适应波束形成语音增强的球谐域掩蔽函数估计方法

柯雨璇, 厉剑, 彭任华, 郑成诗, 李晓东

2021, 46(1): 67-80. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.007

摘要(52) [PDF 6975KB](9)

摘要:
提出一种用于球形阵列自适应波束形成的掩蔽函数估计方法。该方法利用包含空间信息的球谐系数提取低维空间向量,并采用复高斯混合模型和深度学习两种方案来估计掩蔽函数,最终利用估计的掩蔽函数设计最小方差无失真响应波束形成器,以达到空域滤波的效果。理论分析和仿真实验证明,对于相同时长的声信号,球谐域掩蔽函数估计方法的计算复杂度比传统阵元域估计方法低了一个数量级。并且在大部分声场环境中,尤其在低信噪比情况下,所提方法的语音质量感知评估测度得分、分段信噪比和短时客观可懂度明显高于阵元域方法,三者最高分别可提升1.31 dB,4.54 dB和35%。另外,实际声学环境的测量实验也验证了所提方法在不影响可懂度的条件下比传统阵元域方法具备更高的降噪量。

结合幅度谱和功率谱字典的语音增强方法

聂玲子, 陈雪勤, 赵鹤鸣

2021, 46(1): 81-91. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.008

摘要(52) [PDF 4015KB](8)

摘要:
从双路字典学习、噪声功率谱估计、语音幅度谱重构角度提出了一种改进的谱特征稀疏表示语音增强方法。在字典学习阶段,融合功率谱与幅度谱特征,采用区分性字典降低语音字典和噪声字典的相干性;在语音增强阶段,提出一种噪声功率谱估计方法对非平稳噪声进行跟踪估计;考虑到幅度谱和功率谱特征对不同噪声的适应程度不同,设计了语音重构权值表。对分别由幅度谱和功率谱恢复而来的两路信号进行自适应加权重构,结合相位补偿函数得到增强后的语音信号。实验结果表明,该方法在平稳、非平稳噪声环境下相比于单一谱特征的语音增强方法平均提高31.6%,改善了语音增强方法的性能。

Bessel驻波对椭球形液滴的声辐射转矩

臧雨宸, 林伟军, 苏畅, 吴鹏飞

2021, 46(1): 92-102. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.009

摘要(54) [PDF 4045KB](9)

摘要:
在实际的声操控中,由于声辐射力、表面张力和重力的共同作用,液滴往往呈现出椭球的形状,在螺旋声场中会受到力矩的作用而发生转动。从声波的散射理论出发,根据部分波展开法求解得到了椭球形液滴在Bessel驻波场中的声散射系数,并给出了其受到的声辐射转矩的解析式。在此基础上,对椭球形不可压缩液滴和椭球形可压缩液滴分别进行数值计算。仿真结果表明,不可压缩液滴的声辐射转矩与声束半锥角的关系更密切,而可压缩液滴则更依赖于特定的频率;提升Bessel驻波场的阶数有利于增强声辐射转矩的峰值,但在中低频处较难对可压缩液滴产生明显的力矩。该研究结果预期对利用螺旋声场进行液滴的操控具有理论指导作用。

时频域独立元分析方法实现超声兰姆波的多模式分离

楼思佳, 刘珍黎, 许凯亮, 周昌, Lawrence H.Le, 他得安

2021, 46(1): 103-110. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.010

摘要(49) [PDF 2738KB](12)

摘要:
为方便兰姆波信号分析与模式定征,提出一种将短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)与独立元分析(Independent Component Analysis,ICA)相结合的多模式超声兰姆波识别方法。首先通过STFT将兰姆波时域信号投影至时频域,基于各模式信号在时频域相对独立的特点,利用ICA实现混叠模式分离。根据分离模式时频能量脊提取各模式群速度曲线,进而估计板厚。将方法运用于时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)法仿真与钢板实验,分离得到A0、A1和S0三种模式。仿真与实验中平均群速度估计误差约为1.5%和2.0%,板厚估计误差约为0.3%和2.0%。仿真结果表明,在信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)不小于0 dB的情况下,时频域独立元分析方法均可实现兰姆波多模式分离、群速度曲线提取及板厚估计。

子阵列差分系数加权的超声成像算法

赵巍, 徐祥, 汪亚中, 郑驰超, 彭虎

2021, 46(1): 111-120. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.011

摘要(55) [PDF 5804KB](5)

摘要:
传统的自适应加权系数可以有效改善超声图像的分辨率和对比度,但会影响背景图像的散斑特性,因此提出子阵列差分加权系数(SDF)以提升图像质量。该系数适用于传统线扫描超声成像,首先对阵列接收到的回波信号采用子阵列平滑的方式计算均值,得到信号中高相干性成份的强度,再用差分的方式反映相邻阵元回波信号之间的差异性,最后对延时叠加(DAS)成像结果进行加权成像。仿真和实验结果表明SDF (L=8)加权算法相对于传统的DAS成像算法,可以有效改善分辨率和对比度,其中仿真数据的对比度提高了62.9%,体模实验数据的对比度提高了74.7%。相对于相干系数(CF)、广义相干系数(GCF)和信号均值标准差系数(SMSF),SDF可以改善背景组织的成像质量,其中仿真图像的散斑信噪比(SSNR)分别提高了36.8%,5.7%和26.2%,体模实验图像的SSNR分别提高了48.6%,17.0%和20.9%。可见SDF系数可以有效改善超声成像的质量。

超声平面波同相正交信号频域波束形成算法

张苗苗, 刘益嘉, 王梦玄, 林诗颖, 戴志飞

2021, 46(1): 121-129. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.012

摘要(81) [PDF 5598KB](7)

摘要:
针对频域平面波波束形成算法尚不能直接应用于采用正交解调的超声成像系统中的实际问题,提出一种平面波同相正交信号频域波束形成方法。以平面波射频信号频域波束形成算法为基础,根据射频信号与同相正交信号波数空间变量之间的关系,推导了平面波同相正交信号与对应图像的频谱映射表达式,从而实现对正交解调后信号的频域超声图像重建。采用2016年Plane Wave Imaging Challenge in Medical Ultrasound (PICMUS)发布的仿真、仿体及在体原始回波数据对这一方法进行验证,并评估图像的分辨率和对比噪声比。仿真和仿体实验结果表明,相对于射频信号的频域波束形成算法,该算法可获得与之相同的图像质量,并将成像速度提高了约4倍。在体实验数据的成像结果也验证了该算法在实际应用中的有效性。

各向同性固体介质中的高阶非线性系数

钱祖文

2021, 46(1): 130-134. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.013

摘要(42) [PDF 426KB](5)

摘要:
到目前为止,人们对自然界岩石非线性系数的量级范围甚至它们的符号都没有确定的结论。本文作者对他以前的理论作了进一步研究,结果表明,奇阶非线性系数只与奇阶非线性谐波的振幅有关;偶阶非线性系数只与偶阶谐波振幅有关,各阶谐波存在积累解,它的振幅与距离一次方成正比的。应用已发表的波谱测量数据对Berea砂石样品的2~5阶非线性系数做了计算。结果表明,2阶和3阶非线性系数的符号为负,4阶和5阶非线性系数的符号为正。由于非线性系数与声场频谱测量的精度密切相关,本文认为对测得的声场频谱需要作探针接收器灵敏度和测量位置变化的修正。

水下弹性微穿孔吸声结构吸声系数研究

侯九霄, 朱海潮, 廖金龙, 袁苏伟

2021, 46(1): 135-142. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.014

摘要(50) [PDF 3567KB](9)

摘要:
利用模态叠加法建立了水介质微穿孔板的数学模型,基于声电类比法得到其等效电路模型。研究了弹性微穿孔板和弹性背腔对垂直入射吸声系数的影响。与空气介质中的微穿孔板不同,水下微穿孔板因结构阻抗不足,难以取得满意的吸声效果,为此提出了增强型微穿孔吸声结构,并在水介质阻抗管内对理论结果予以验证。结果表明,随着增强型弹性微穿孔板弯曲刚度的增大,其在[20,2000]Hz范围内的平均吸声系数得到提高,逐步趋近于刚性微穿孔板的结果,弹性背板使微穿孔吸声结构的吸声峰向低频移动,低频吸声效果得到提高。

湍流激励下柔性层贴敷加筋板自噪声的特征机理

徐嘉启, 周振龙, 梅志远

2021, 46(1): 143-160. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2021.01.015

摘要(176) [PDF 6148KB](34)

摘要:
为了研究湍流激励下柔性层贴敷加筋板自噪声的特征机理,基于湍流边界层壁面脉动压力功率谱模型、周期加筋板弯曲运动方程和固体波动方程以及力平衡与位移连续边界条件,建立了湍流边界层壁面脉动压力激励下柔性层贴敷单向周期加筋板的振动及内噪声物理模型。研究发现:橡胶外贴时对湍流激励下壳板的减振降噪主要依靠橡胶的厚度模态振动。无筋时,橡胶层外贴板较无橡胶贴敷板,主要降低湍流脉动压力的水动力学成分所致结构自噪声,距壳板0.05m时,声压降幅小于3 dB,橡胶外贴加筋板相对于加筋板,对湍流激励结构自噪声的降低基本涵盖整个波数域,距壳板0.7 m处,声压降幅仍然在20 dB左右。肋骨横截面高度或宽度每增大1倍,壳板肋骨处加速度自功率谱级降低3 dB,非肋骨处加速度及板内侧声压自功率谱则基本不变,肋骨间距改变对壳板加速度响应及板内侧声压自功率谱级皆无显著影响。