水下瞬态声源声能量计算与测量方法研究

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水下爆炸声源作为水声探测中的“照亮”声源,在主动探测应用中发挥着重要作用。不同的炸药种类、形状及填充当量,直接影响了水下爆炸声源的声学特性,对水下爆炸声的声源级标定将指导炸药种类及填充当量的选择。水下爆炸声源是一种宽频的水下瞬态声,建立准确的瞬态声测量方法与测量手段,是深入研究水下爆炸声特性的关键环节。现有的水下瞬态噪声研究,主要集中在自由场(外场)的声场测量与计算上,使用声压级这样一个场量来进行瞬态噪声评估,但外场环境受到了很多不确定环境因素的影响,使声压级的测量重复性差,直接影响测量准确性。而相对外场和消声水池的测量环境,非消声水池具有测量重复性好,测量环境容易满足,测量效率高、成本低等优势,并广泛应用到了各类声源声学特性的定量测量中。本文在非消声水池稳态声源测量方法基础上,从频域和时域角度深入开展了非消声水池中瞬态声测量方法研究,其中功率谱分析借鉴了稳态声声场传递函数获取的校正方法;时域分析利用自相关函数获取瞬态声声能密度,进而得到等效声功率。本文建立的非消声水池瞬态声测量方法为水下爆炸声源的声学特性获取提供了有效的手段。本文首先通过对自由场瞬态声场进行研究,又对比于稳态声,对封闭空间中瞬态声场特性进行分析,得到封闭空间声场影响因素,进而区别于直接测量法提出了封闭空间测量瞬态声等效辐射声功率的方法;进一步利用COMSOL软件,以不同频率与脉宽的CW脉冲作为研究对象,进行自由场和封闭空间的声场仿真计算;之后利用AUTODYN软件对水下TNT炸药爆炸声压力场进行仿真计算,并将计算结果换算为声源声压信息作为初始条件来进行COMSOL的声场计算。对自由场和封闭空间仿真计算结果进行对比分析,分析结果显示仿真计算具有较高的精度,且很好的验证了所提出的封闭空间测量瞬态声等效辐射声功率方法。最后分别在消声水池、非消声水池和玻璃水槽对CW脉冲和电火花爆炸声进行声学测量,测量结果显示实验具有很好的重复性与精度且很好的验证了所提出的封闭空间测量瞬态声能量方法。
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