基于盘绕结构梯度声栅的声学增强与弱信号检测研究

摘要

弱信号的提取和检测广泛应用在日常生活与军事工业领域，具有十分重要的研究意义。在实际的工业生产中，我们所需要的有用信号通常是很弱的，极易被其他信号分量或复杂背景噪声干扰，大大增加了微弱声音信号检测与提取的难度。而传统的弱信号检测方法通过滤除噪声来识别微弱信号，但在滤除噪声的同时，也会削弱有用信号，极大地影响了微弱信号的检测效果。盘绕型声学超材料是一种通过盘绕折叠来实现超慢声速与高折射率的声学超材料，其特殊的结构特点使材料具有优良的滤波特性和声能量增强特性，可同时实现特定频率或频带的滤波和声学增强。许多研究表明，应用盘绕型声学超材料特殊的声学特性，可以为微弱故障信号检测问题的解决提供一种新的思路。　　为了实现较宽频段的滤波与声学增强，进一步丰富弱信号检测的理论方法，本文基于盘绕型声学超材料的作用机理，设计了一种盘绕结构梯度声栅，并在此基础上提出了一种基于盘绕结构梯度声栅的弱信号检测方法。　　论文的主要研究工作如下：　　(1)盘绕结构梯度声栅的设计与分析　　基于盘绕型声学超材料声学增强原理，设计了一种锯齿形路径的盘绕结构梯度声栅，并根据有限元理论建立了声场有限元模型，计算了盘绕结构梯度声栅的声压场，验证了盘绕结构梯度声栅优良的分频滤波特性与声学增强性能。　　(2)盘绕结构梯度声栅的结构优化　　计算了盘绕结构梯度声栅在不同结构参数值下的声压场，通过分析不同结构参数值下盘绕结构梯度声栅的最大声压增益及最大声压增益频率，得到了沟槽宽度、梯度分级声栅厚度与盘绕结构薄板长度、厚度和间距这五个参数及结构缩放系数对声学增强性能的影响曲线，确定了盘绕结构梯度声栅的优化结构参数取值。(3)基于盘绕结构梯度声栅的弱信号检测　　针对弱信号提取检测困难的问题，提出了一种基于盘绕结构梯度声栅的弱信号检测方法；分别计算了盘绕结构梯度声栅在弱谐波信号与周期性冲击信号下的声压场，验证了其对弱谐波信号与周期性冲击信号检测的有效性，进一步丰富了弱信号检测的理论方法。　　(4)基于盘绕结构梯度声栅的弱信号检测实验　　根据仿真结果进行了基于盘绕结构梯度声栅的弱信号检测实验，测试了不同信噪比下盘绕结构梯度声栅对弱谐波信号与周期性冲击信号的放大效果，计算了　　声压增益与信噪比增益，实验结果验证了盘绕结构梯度声栅对弱谐波信号与周期性冲击信号检测的有效性。　　仿真与实验结果表明，盘绕结构梯度声栅具有优良的分频滤波特性与声学增强性能，能够有效实现微弱声音信号的声增强检测。这些研究丰富了弱信号检测方法，也为盘绕型声学超材料的应用提供了有效途径。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 微弱信号检测方法的研究现状

1.3 基于声学超材料的声增强研究现状

1.4 本文研究思路和主要研究内容

1.4.1 问题的提出

1.4.2 本文的研究思路

1.4.3 本文的工作内容及章节安排

第 2 章 平面声波在声学超材料中的传播理论

2.1 引言

2.2 声学基础

2.2.1 平面声波方程

2.2.2 平面声波的反射与折射

2.3 有限元声场分析理论

2.4 本章小结

第 3 章 盘绕结构梯度声栅的设计与分析

3.1 引言

3.2 盘绕结构梯度声栅模型的建立与计算

3.2.1 盘绕型声学超材料的声学增强原理

3.2.2 盘绕结构梯度声栅模型的建立

3.3 盘绕结构梯度声栅的性能分析

3.3.1 盘绕结构梯度声栅的分频滤波特性分析

3.3.2 盘绕结构梯度声栅的声学增强性能

3.4 结构参数对声学增强性能的影响

3.4.1 空气沟槽尺寸对声学增强性能的影响

3.4.2 梯度声栅的厚度对声学增强性能的影响

3.4.3 盘绕结构尺寸对声学增强性能的影响

3.4.4 结构缩放系数对声学增强性能的影响

3.5 本章小结

第 4 章 基于盘绕结构梯度声栅的微弱信号检测

4.1 引言

4.2 盘绕结构梯度声栅信号检测方法的设计

4.3 基于盘绕结构梯度声栅的弱谐波信号检测

4.4 基于盘绕结构梯度声栅的周期性冲击信号检测

4.5 本章小结

第 5 章 基于盘绕结构梯度声栅的微弱信号检测实验

5.1 引言

5.2 实验方法

5.2.1 实验平台搭建

5.2.2 局部信噪比与信噪比增益

5.3 基于盘绕结构梯度声栅的弱谐波信号检测实验分析

5.4 基于盘绕结构梯度声栅的周期性冲击信号检测实验分析

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

致 谢

附录 A 攻读学位期间发表和录用的论文目录