水下连续爆炸声学特性及信号分析研究

论文摘要

随着电子信息技术的发展,鱼雷对水面舰船的威胁越来越大,所以十分迫切地需要一种能够有效地对抗鱼雷的武器装备。根据目前形势,发展了连续爆炸式水声干扰弹,它是一种软杀伤式的反鱼雷武器,其在水下连续爆炸时产生持续时间较长的高功率、宽频带的声信号,能够有效地干扰声自导鱼雷,在远程时,可作为一个强信号的假目标,在近程时,可造成声呐基阵饱和阻塞,从而为己方舰船的规避争取一定的时间。本文所做工作的主线为：水下爆炸声的产生—水下爆炸声的传播—水下连续爆炸声的声学特性一水下连续爆炸声的信号分析。本文对水下连续爆炸声信号声学特性及其信号分析的研究可为水声对抗技术的发展提供一定的理论基础。具体工作如下：1)对裸装球形装药的水下爆炸过程进行了仿真计算,通过分析冲击波峰值压力在近场的变化,得出冲击波在近场是按照超球面规律扩展的。然后,仿真计算了带壳球形装药的水下爆炸过程,分析了冲击波峰值压力随壳体厚度的变化规律,引入壳体厚度影响因子,首次推导出带壳球形装药水下爆炸冲击波的峰值压力公式。通过设置水的状态方程,计算得到不同爆深的水下爆炸冲击波,分析了爆深对冲击波峰值压力的影响。仿真计算了两发炸药同时起爆和延时起爆情况下的水下爆炸冲击波,分析了水下爆炸冲击波之间的相互作用规律。2)研究了水下爆炸声信号的传播理论,对比分析了本征声线的求取模型。提出利用单点弦截法求取本征声线的出射角,并与二分法进行比较,结果表明：在保证同样精度条件下,单点弦截法的计算用时比二分法小一个数量级,能够精确快速地求出本征声线的出射角,这对于水下声场的快速建模具有重要意义。3)基于射线理论和椭球的几何性质,建立了改进的三维双基地混响平均强度模型,推导出水下爆炸声混响平均强度的预报公式。将预报公式计算结果与实验数据进行对比,验证了该模型的正确性。基于混响强度预报公式,分析了爆炸脉冲宽度和爆炸深度对混响强度的影响：（1）考虑到背景噪声引起的误差,可以认为水下爆炸声混响强度不受爆炸深度的影响；（2）脉冲宽度越大,海底散射区域面积也越大,则混响强度越大。在此基础上,推导出水下连续爆炸声混响强度的计算公式。4)以两组实验数据为对象,研究了水下连续爆炸的声学特性,探讨了爆炸序列的时间间隔对水下连续爆炸冲击波峰值压力和声压级的影响：时间间隔越小,冲击波的峰值压力和声压级越高。提出利用小波变换和Hilbert-Huang变换对水下连续爆炸声信号进行处理。利用小波变换分别与能量统计和功率谱估计相结合对水下连续爆炸声信号进行分析,结果显示：在0～12kHz以内,时间间隔为0.21s和0.26s的两组水下连续爆炸声信号的能量相同；在12～192kHz以内,时间间隔为0.21s的水下连续爆炸声信号的能量比时间间隔为0.26s的水下连续爆炸声信号的能量大。采用Hilbert—Huang变换对水下连续爆炸声信号进行分析。首先利用EMD方法对其分解,然后求各阶IMF分量的边际谱,再将其进行Hilbert变换,得到其Hilbert能量谱,分析显示：水下连续爆炸声信号的能量主要分布在19.2kHz以内。综上所述,小波变换和HHT方法对水下连续爆炸声信号的分析结论是基本一致的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表目录
• 1 绪论
• 1.1 问题的背景
• 1.2 本论文研究的目的与意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 水下爆炸冲击波
• 1.3.2 水下爆炸声学特性
• 1.3.3 水下爆炸声信号分析
• 1.4 本文的主要工作
• 2 水下爆炸声源
• 2.1 水下爆炸的基本现象
• 2.2 水下爆炸冲击波压力经验公式
• 2.3 水下爆炸冲击波的扩展规律
• 2.3.1 扩展规律
• 2.3.2 模型建立
• 2.3.3 状态方程
• 2.3.4 计算结果及分析
• 2.4 带壳装药水下爆炸冲击波公式
• 2.4.1 计算模型
• 2.4.2 材料状态方程及相关参数的选取
• 2.4.3 计算结果
• 2.5 爆炸深度对水下爆炸冲击波峰值压力的影响
• 2.6 水下爆炸冲击波之间的相互作用
• 2.6.1 仿真模型
• 2.6.2 参数设定
• 2.6.3 计算结果及分析
• 2.6.4 水下爆炸冲击波相互作用规律
• 2.7 本章小结
• 3 水下爆炸声的传播
• 3.1 理想流体介质中的波动方程
• 3.2 射线理论模型
• 3.3 分层介质中本征声线的求取
• 3.3.1 距离—深度模型
• 3.3.2 声线跨度模型
• 3.3.3 出射角的数值计算方法
• 3.4 声在水中的传播损失
• 3.5 本章小结
• 4 水下连续爆炸的声学特性
• 4.1 水下连续爆炸实验
• 4.1.1 实验地点与设备
• 4.1.2 实验内容与结果
• 4.2 水下单发爆炸声学特性研究
• 4.2.1 水下爆炸声压和声压级
• 4.2.2 水下爆炸声的频率特性
• 4.2.3 水下爆炸声的功率谱
• 4.3 水下连续爆炸的声学特性研究
• 4.3.1 水下连续爆炸声压
• 4.3.2 水下连续爆炸声压级
• 4.3.3 水下连续爆炸冲击波的功率谱
• 4.3.4 水下连续爆炸声的功率谱
• 4.4 三维双基地混响平均强度模型
• 4.4.1 三维双基地混响平均强度模型
• 4.4.2 混响散射区域
• 4.4.3 散射区域分割
• 4.4.4 散射规律
• 4.4.5 混响级计算
• 4.5 改进的水下爆炸声混响平均强度模型
• 4.5.1 改进的混响模型
• 4.5.2 散射区分割法
• 4.5.3 海底散射路径
• 4.5.4 海底混响级计算
• 4.6 水下爆炸声混响的仿真分析与实验对比
• 4.6.1 水下爆炸声源级和持续时间的确定
• 4.6.2 水底散射系数的确定
• 4.6.3 仿真计算与实验数据对比
• 4.7 水下连续爆炸声混响模型
• 4.8 本章小结
• 5 水下爆炸声信号的处理与分析
• 5.1 小波变换基本原理
• 5.1.1 小波定义
• 5.1.2 小波变换定义
• 5.1.3 离散小波变换
• 5.1.4 二进正交小波变换的Mallat算法
• 5.2 Hilbert-Huang Transform基本原理
• 5.2.1 EMD基本原理
• 5.2.2 Hilbert谱
• 5.3 小波变换结合能量统计对水下爆炸冲击波的分析
• 5.3.1 小波分析
• 5.3.2 小波变换后水下爆炸冲击波各频率带能量统计
• 5.4 小波变换结合能量统计对水下爆炸声信号的分析
• 5.4.1 小波分析
• 5.4.2 小波变换后水下爆炸声信号各频率带能量统计
• 5.5 小波变换结合能量统计对水下连续爆炸声信号的分析
• 5.5.1 小波分析
• 5.5.2 小波变换后水下连续爆炸声信号各频率带能量统计
• 5.5.3 时间间隔对水下连续爆炸声信号能量分布的影响
• 5.6 小波变换与功率谱估计相结合的水下连续爆炸声信号分析
• 5.7 基于HHT的水下爆炸冲击波分析
• 5.7.1 水下爆炸冲击波的EMD分解
• 5.7.2 水下爆炸冲击波的Hilbert变换
• 5.8 基于HHT的水下爆炸声信号分析
• 5.8.1 EMD分解
• 5.8.2 水下爆炸声信号的Hilbert变换
• 5.9 基于HHT的水下连续爆炸声信号分析
• 5.9.1 EMD分解
• 5.9.2 水下连续爆炸声信号的Hilbert变换
• 5.10 本章小结
• 6 结束语
• 6.1 本文完成的主要研究内容
• 6.2 本文的主要创新点
• 6.3 尚待进一步研究内容
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文