【正文】 生的特征信號，實(shí)施預(yù)警。美國研制的單兵操作的小型聲測系統(tǒng)，則是完成監(jiān)聽和警戒任務(wù)的聲探測系統(tǒng)。目前，這些國家研制的聲測系統(tǒng)都具有戰(zhàn)場偵察、目標(biāo)定位跟蹤和敵我識別等綜合作戰(zhàn)能力，而且它們的研制已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性的研制階段。 國外在將地面聲測技 術(shù)用于地面武器系統(tǒng)，如新型智能地雷，尤其是反直升機(jī)地雷和反坦克地雷等研究，已開展了十余年的研究工作。 [2] 總的來說，我國在這方面的研究仍處于預(yù)研階段，擬采用的技術(shù)手段和途徑仍處于可行性探索階段，與其它國家相比還有很大的差距。隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能、自適應(yīng)信號處理技術(shù)、陣列 技術(shù)以及其它各種相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來的聲測系統(tǒng)與這些技術(shù)的結(jié)合，將使聲測系統(tǒng)向更加智能化的方向發(fā)展。 本論文的章節(jié)安排如下： 第一章 介紹本論文的研究背景和意義。 第三章 介紹聲定位原理，包括作為聲定位陣列的平面四元十字陣模型和作為時(shí)延估計(jì)算法的自適應(yīng) 濾波算法。 第五章 對全文進(jìn)行總結(jié)，并指出有待進(jìn)一步研究的工作。頻率為 20~20200Hz 的聲波，能夠引起人們的聽覺，稱為可聞聲波，簡稱聲波。 與聲波相關(guān)的物理量 聲功率 聲源在單位時(shí)間內(nèi)輻射的總聲能量稱為聲功率。聲功率是表示聲源特性的一個(gè)物理量。聲功率的大小，只與聲源本身有關(guān)。聲波在大氣中傳播時(shí)，引起空氣質(zhì)點(diǎn)的振動，從而使空氣密度發(fā)生變化。 聲音在振動過程中，聲壓是隨時(shí)間迅速起伏變化的，人耳感受到的實(shí)際只是一個(gè)平均效應(yīng)，因?yàn)樗矔r(shí)聲壓有正負(fù)值之分，所以 有效聲壓取瞬時(shí)聲壓的均方根值： 201 ()Tep p t dtT? ? 通常所說的聲壓，若未加說明，即指有效聲壓，若 p p2分別表示兩列聲波在某一點(diǎn)所引起的有效聲壓，該點(diǎn)迭加后的有效聲壓可由波動方程導(dǎo)出，為 2212ep p p?? 聲壓是聲場中某點(diǎn)聲波壓力的量度， 在自由聲場中多聲波傳播方向上某點(diǎn)聲強(qiáng)與聲壓p、介質(zhì)密度 ?和聲速 C存在如下關(guān)系： 2pI c?? 聲壓級定義：把聲壓的有效值取對數(shù)來表示聲音的強(qiáng)弱，這種表示聲 音強(qiáng)弱的數(shù)值叫聲壓級。 正常人耳對 1kHz聲音剛剛能察覺其存在的聲壓值 （ 20?Pa） 被稱為 1kHz聲音的可聽閾聲壓。另 外，當(dāng)聲壓達(dá)到20Pa，即聲壓級為 120dBSPL時(shí)，人們的耳朵會感覺到疼痛，因此，在聲學(xué)或醫(yī)學(xué)上把20Pa=120dBSPL定義為痛閾，長時(shí)間在此環(huán)境下工作，會對聽覺系統(tǒng)造成傷害。聲場中，在垂直于聲波傳播方向上，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的聲能稱作聲強(qiáng)。 m2。通常距聲源愈遠(yuǎn)的點(diǎn)聲強(qiáng)愈小，若不考慮介質(zhì)對聲能的吸收，點(diǎn)聲源在自由聲場中向四周均勻輻射聲能時(shí)，距聲源 r 處的聲強(qiáng)為： 24WI r?? 人類能聽到的聲音的頻率范圍其上下限相差 103倍，而能聽到的聲強(qiáng)范圍則大得多。取聲強(qiáng) 1012 W/m2 為標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)，記作 0I ，其他聲強(qiáng) I 與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng) 0I 的比值的對數(shù)為聲強(qiáng)的聲強(qiáng)級，記作 L1，即 1 0lgIL I? 聲強(qiáng)級的單位為貝爾（ B），由于貝爾的單位太大，通常用貝爾的 1/10 為單位，稱為分貝（ dB），以分貝為單位時(shí)，聲強(qiáng)級公式應(yīng)為 1 010lg IL I? 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 5 如聲強(qiáng)級為 1dB 時(shí)， I/I0==；聲強(qiáng)級為 60dB 時(shí)， I/I0=106。 表 常見聲波的聲強(qiáng)級 [3] I/I0 1L /dB I/I0 1L /dB 風(fēng)吹樹葉 正常交談 機(jī)器房 大瀑布 102 106 108 109 20 60 80 90 搖滾樂 開炮 汽鉚 噴氣飛機(jī)起飛 1012 1012 1013 1015 120 120 130 150 聲能密度 介質(zhì)由于聲波的作用得到的能量為聲場 的聲能，單位體積聲能稱為聲能密度，用 ?表示： 2221122 pu C?? ?? ? ? ? 其中， p為聲壓， ?為介質(zhì)密度， u為振動速度， C為聲波的傳播速度。一般按波前的形狀將聲波劃分為平面波、柱面波與球面波。若聲源的大小和形狀與聲波的傳播距離相比較，可 以忽略不計(jì)，則我們可以把它當(dāng)作點(diǎn)聲源。若點(diǎn)聲源在無窮遠(yuǎn)處，則在一定范圍的局部區(qū)域內(nèi)，波面和波前的形狀都近乎是平面。因此在平面波的情況下，波線是與波面垂直的許多平行直線。 平面波的聲強(qiáng)： 2TpIC?? 上式描述的聲場是一個(gè)波陣面為平面、沿半徑方向以速度 C 傳播的平面行波。 球面波 波陣面為同心球面的聲波稱為球面波。點(diǎn)聲源發(fā)出的聲波即為球面波。 柱面波 波陣面為柱面的聲波稱為柱面聲波。 均勻柱面波的聲壓： ( 2 )0 0 0[ ( ) ( ) ] ( )j t j tp A J k r j N k r e A H k r e??? ? ? 其中： (2)0 ()H kr = 00( ) ( )J kr jN kr? 為零階第二類漢克爾函數(shù)， 0()J kr 為零階貝賽爾函清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 7 數(shù)， 0()N kr 為零階諾依曼函數(shù)。 聲波傳播過程中的衰減 前面討論了聲波在無界空間里的自由傳播規(guī)律，然而聲波在傳播路徑上常會遇到各種各樣的障礙物或邊界。 距離衰減 (1) 點(diǎn)聲源的距離衰減 在自由與半自由聲場中，點(diǎn)聲源聲壓級隨距離的衰減計(jì)算式為： 21212 0 lg ( )P P PrL L L d Br? ? ? ? 即距離每增加 1 倍，聲壓級衰減 6dB。線聲源輻射的是柱面波。 吸收衰減 (1) 大氣吸收 大氣聲吸收主要有以下三種方式： 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 8 第一種是經(jīng)典聲吸收，這種吸收是由于大氣分子之間的摩擦，而使得溫度升高的粘滯吸收。 第二種是熱傳導(dǎo)吸收，這種吸收是由于溫度梯度使得聲波傳播過程 中有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，由于熱傳導(dǎo)引起的大氣吸收稱為熱傳導(dǎo)吸收。 第三種是馳豫聲吸收，這種吸收是因?yàn)樵诔谠ミ^程中產(chǎn)生了有規(guī)聲振動轉(zhuǎn)變?yōu)闊o規(guī)熱運(yùn)動的附加能量耗散，即引起了聲波的附加吸收也稱馳豫吸收或反常吸收。 綜上所述，總的聲吸收系數(shù)用下列公式表示為： 2 03 2 24 1 1[ ( ) ]2 3 1VPC C C ??? ? ?? ? ????? ? ? ? ?? 其中， ?? 為切變粘滯系數(shù)。 從以上我們可以得到一個(gè)關(guān)于吸收系數(shù)口的重要特性。所以低頻聲波在空氣中可以傳很遠(yuǎn)的距離，而高頻聲波在空氣中很快就衰減了。 [4] 環(huán)境對聲傳播的影響 聲波在大氣中傳播時(shí)，除了球面波發(fā)散引起的聲衰減以及由于聲波的反射、衍射和散射引起的損失外，還有由環(huán)境和其他條件引起的逾量衰減，它包括下述幾種因素：雨、雪、霧等氣象條件；風(fēng)和溫度梯度；草地、灌木林、樹木等地面效應(yīng)。 溫度對聲傳播的影響 溫度對聲音的影響表現(xiàn)在對聲速的影響。聲速是氣體中各種分子量、比熱、溫度的函數(shù)： C RTM?? 式中 C：聲速 ?：氣體比熱 ??????????M：氣體分子量 ???????????T： ?氏溫度 ?R：普適氣體常數(shù) ?空氣中的聲速可用經(jīng)驗(yàn)公式表示為： 3 3 1 . 4 1 3 3 1 . 4 0 . 62 7 3 . 1 6TCt? ? ? ? 式中 t為攝氏溫度 在空氣中，溫度越高，聲音傳播的速度越大，反之 越小。聲音的傳播會向下彎曲。因此，在定向和定距中，大氣溫度的不均勻性及多變性，對聲音的傳播影響很大。該層內(nèi)根據(jù)空氣受地面影響不同又將 50~100m以下氣層稱為近地層。近地層內(nèi)，一般風(fēng)的速度為每秒幾米，大風(fēng)時(shí)，可以達(dá)到每秒十幾米，甚至更大些。二是風(fēng)速梯度使聲線產(chǎn)生彎曲，三是風(fēng)速的變化以及由于氣流通過聲引信形成的湍流和由于周圍氣流不斷變化而形成的湍流，在聲引信上產(chǎn)生很大的交變電壓，使測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。對此可以在預(yù)處理中通過去除均值和趨勢項(xiàng)來減小它對目標(biāo)信號的影響。 某一時(shí)刻空間一點(diǎn)某一方向上的風(fēng)速為 g? ? ??? 式中， ? 為平均風(fēng)速； g? 為陣風(fēng)風(fēng)速。 [5] 武器中特有的聲波 彈頭聲波信號的產(chǎn)生 狙擊步槍 射擊時(shí)可以產(chǎn)生兩種瞬態(tài)聲音信號 :第一種是子彈被擊發(fā)過程中子彈的火藥爆炸，高溫、高速、高壓氣流將彈頭推出槍口時(shí)形成的膛口激波；第二種是彈丸在大氣中超音速飛行時(shí)產(chǎn)生的沖擊波，也叫做馬赫波 (Machwave)。因此對于狙擊手聲探測系統(tǒng)來說，這兩種聲波信號至關(guān)重要。當(dāng)子彈速度 v 遠(yuǎn)大于聲速 C 時(shí)，則馬赫數(shù) M 較大，馬赫角 ?很??；當(dāng) M 無窮大時(shí)， M? =0，彈頭沖擊波幾乎垂直于子彈飛行的彈道向外傳播。沖擊波近似與子彈路徑平行傳播。當(dāng)子彈受到空氣的摩擦，其速度將逐漸減小，同時(shí)沖擊波的馬赫角 ?逐漸變大，直到?jīng)_擊波消失，子彈速度減至低于音速之前，馬赫角 M? 趨于90176。 圖 超音速沖擊波 子彈超音速飛行過程中，彈頭前的空氣迅速地被壓縮，被壓縮空氣的壓強(qiáng)快速上升一個(gè)最大值 Pmax； 空氣壓縮之后的空間內(nèi)空氣比較稀薄，近似為真空狀態(tài)，壓強(qiáng)迅速下降，短時(shí)間內(nèi)到達(dá)一個(gè)相應(yīng)的負(fù)壓 Pmin，彈丸飛過后，壓 強(qiáng)突然相互抵消，恢復(fù)正常值P0因此，整個(gè)過程沖擊波信號波形成“ N”形狀，示意圖如圖 。 “ N”波持續(xù)時(shí)間 T 為： 1431284()1 .8 2()( 1 )pm is spdMdTC lM?? ? ?? （ ） 式 和式 在遠(yuǎn)場情況下非常有效，由式 和式 ，沖擊波信號峰值壓強(qiáng) Pmax和持續(xù)時(shí)間 T 的比值為： 2m a x 01 .8 20 .5 3 1m is sMdTP C P M?? ?? ? 膛口激波 步槍射擊時(shí)，子彈的火藥在窄小的空間內(nèi)燃燒產(chǎn)生 的高溫、高壓、高速的爆炸氣流將彈丸推出槍膛，當(dāng)子彈出膛后，噴出槍口的氣流形成了膛口激波，以聲速從槍口向四周傳播。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 14 圖 膛口激波的形成 膛口激波攜帶了射擊者方位信息，從麥克風(fēng)的角度看，如果傳播路徑中沒有障礙物，膛口激波直接從射擊者傳向麥克風(fēng)方向。 膛口激波與沖擊波不同，其信號強(qiáng)度較弱，頻率低。因此，膛口激波在檢測之前要進(jìn)行必要的處理，目的是抑制或削弱不需要的噪聲和干擾，同時(shí)提高膛口激波信號的信噪比，以便有 利于信號的檢測。沖擊波及其反射波能量主要分布在高頻，而膛口激波的能量主要集中在約 1 00Hz~600Hz 的低頻范圍內(nèi)，接收到的槍聲信號經(jīng)過帶寬為 500Hz 左右的帶通濾波處理，可以濾除大部分的噪聲、沖擊波反射波的能量，以消除對膛口激波的干擾。根據(jù)模型圖對膛口激波的時(shí)域特征參數(shù)進(jìn)行分析，獲取的特征參數(shù)如下： (1) 膛口激波的持續(xù)時(shí)間 Tm，即點(diǎn) A~點(diǎn) E 持續(xù)時(shí)間。 (3) 正峰持續(xù)時(shí)間 Tm1，即點(diǎn) A~點(diǎn) C 經(jīng)歷的時(shí)間。 (5) 正壓峰值到負(fù)壓峰值的持續(xù)時(shí)間 Tm3，即點(diǎn) B~點(diǎn) D 持續(xù)時(shí)間。 (7) 膛口激波壓力最小值 Pmin。 (9) 膛口激波正峰值 Tm1 時(shí)間內(nèi)的功率 Pm1： 1 21 111 ()mTm nmP x nT ?? ?。 (11) 膛口激波正峰值 Tm3 時(shí)間內(nèi)的功率 Pm3： 3 23 131 ()mTm nmP x nT ?? ?。表征單位時(shí)間內(nèi)壓力上升的大小。 上述的 Em與檢測環(huán)節(jié)中數(shù)據(jù)幀能量 Ed 是有不同的意義的。 [6] 本章小結(jié) 本章從聲的相關(guān)概念出發(fā)介紹了聲波在大氣中的傳播規(guī)律、聲波的傳播模型、聲波傳播過程中的衰減、環(huán)境對聲波的影響等相關(guān)理論，接下來針對該課題介紹了武器中兩種特有的聲波，即彈頭沖擊波和膛口基波，為以后的 MATLAB 仿真提供信號源模型。 在聲測定位系統(tǒng)中 ,如何有效地提高定位精度是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。 聲測陣列 聲測陣列可分為線陣、面陣和立體陣。對于固定式陣列來說，線陣只能對陣列所在直線為界的半個(gè)平面進(jìn)行定位，否則沒有唯一解。立體陣則 可以對整個(gè)空間定位，但其算法要復(fù)雜得多。對線陣進(jìn)行組合，構(gòu)成面陣，就可以對空間目標(biāo)進(jìn)行定位。三維空間中的定位有三個(gè)自由度，對應(yīng)要有三個(gè)獨(dú)立的時(shí)延才能得到目標(biāo)位置，那么至少需要四個(gè)傳感器才能實(shí)現(xiàn)對空間目標(biāo)的定位。 考慮到定位要求及其快速性，對于該課題的情況采用平面陣作為 定位陣列較為適宜。 對十字形聲傳感器陣列，可建立如圖 所示的直角坐標(biāo)系。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 17 假設(shè)目標(biāo)為點(diǎn)聲源，目標(biāo)產(chǎn)生的聲源以球面波的形式向外傳播，聲源到達(dá)陣元 S1的傳播時(shí)間為 t1，相對于 S1聲源到達(dá)陣元 S2， S3， S4的時(shí)延分別為 ???、 ???、 ???。 )，方位角為 ? ( 0? ?? 360176。它是由于信號傳輸距離不同而引起的?；囃ㄟ^檢測各陣元接收信號問的時(shí)延，并根據(jù)聲陣的幾何關(guān)系來確定目標(biāo)的空間位置。 常用的時(shí)延估計(jì)算法 常用的時(shí)延估計(jì)算法有互相關(guān)法、廣義互相關(guān)法、相位譜法、參量模型法、高階統(tǒng)計(jì)量法及自適應(yīng)濾波法等?；ハ嚓P(guān)法計(jì)算量小，硬件要求低，缺點(diǎn)是時(shí)延估計(jì)的穩(wěn)定性、可靠性和精度易受環(huán)境的影響，易造成相關(guān)函數(shù)的模糊性，出現(xiàn)模糊的相關(guān)峰或偽峰，時(shí)延估計(jì)精度較差，優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算簡捷速度快。 廣義互相關(guān)法則是