南京大学学报(自然科学版)

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孙娜1，钱枫1,2，刘晓宙1*

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 1.

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经由高频声信号的介入和相互作用，声参量阵利用传播中的非线性效应可获得具有较高声指向性的窄带、无旁瓣的低频声信号，有效地克服了线性声学中的衍射效应。本文对声参量阵的音频信号处理部分的三种调制方法，双边带调制（Double sideband amplitude modulation，DSB-AM）、单边带调制（Single sideband amplitude modulation，SSB-AM）以及均方根调制（Square root amplitude modulation，SRAM）的频谱图进行仿真分析，并在Simulink中建模，对比三种调制方法，结果表明，经SRAM方法处理后自解调的幅值是另外两种调制方法的一半，故其在幅值输出方面效果逊于DSB-AM与SSB-AM。但相比DSB-AM与SSB-AM，SRAM具有更小的谐波失真。

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一种便携式深水网箱鱼群远程监测系统的设计

邵志文1,2，许肖梅1,2*，张小康1,2，涂星滨1,2

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 6.

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为改善海上深水网箱监测中系统体积大、移动性差的问题，本文基于ARM LPC1788嵌入式控制技术，开发了一套便携式深水网箱鱼群远程声学监测系统。该系统主要包括三个功能主体：深水网箱声学探测终端、用户便携式监控终端以及远程数据传输模块。首先网箱探测端采用200kHz的脉冲探测信号，回波信号经信号检测与采集后通过无线数据传输模块实时传送至用户监控终端；用户监控端将获得的结果通过7寸液晶屏幕进行显示。实验结果表明，基于嵌入式的用户监控端具有操作简便，移动性好，信息显示清晰明确等优点，与无线传输模块相结合，可在2000m的开阔范围内进行监测工作，更好的实现网箱鱼群监测工作实施的机动性和优越性。

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气球状声学超材料软质共振单元研究

欧阳溯源，孟杨，景晓东*

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 10.

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在声学超材料的发展中，单极子局域共振是实现负体积模量的重要途径。本文为实现理想的单极子共振，设计了一种气球状软质共振单元。利用声学有限元方法模拟了这种软质共振单元对平面入射波的控制特性，并计算了其声学等效负参数。在波导管中用两种不同壁厚的小气球作为简易试样，测量了传声损失和等效参数。数值模拟和实验吻合，结果表明软质共振单元可有效阻隔波长远大于其特 [1]征尺寸的声波，产生显著的带隙现象。在与带隙对应的频率段，等效体积模量出现明显的负值区间；而等效质量密度则基本保持不变，反映出典型的单极子特性。此外，这种轻质共振单元无需依靠基材产生共振，可直接在空气中布成稀疏阵列来控制声波，并可通过改变球膜的材料和厚度进行调频。从而为构建三维声学超材料提供了一种新的亚波长结构。

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基于时频图像处理的宽吻海豚声通讯信号自动检测方法

孙馨喆1,2，文立1,2，杨武夷1,2*，张宇1,2

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 16.

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人工检测宽吻海豚声通讯信号效率低下。本文提出了一种基于信号时频图像处理的方法，旨在实现对宽吻海豚声通讯信号的高效自动检测。该方法首先对采集到的音频信号进行分帧，计算每帧信号的时频图；对时频图进行中值滤波后利用自适应局部阈值法提取时频图中通讯信号的轮廓；对提取的轮廓进行连通域分析，根据各连通域的能量和持续时间过滤噪声连通域；合并邻近的连通域后根据连通域的位置判断海豚通讯信号在音频信号中的起止时刻。实验结果显示本文的检测方法准确率达到了95%，该方法为海豚声信号的自动观测及其生物学行为的研究提供了一定的技术基础。

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基于多信道的簇结构水声传感器网络容量分析与研究

李霞*，赵冬雪

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 21.

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本文根据水声信道的传播特性和簇结构水声传感器网络的结构特征，结合接收信号的信干噪比定义了分簇网络中节点成功传输概率和网络吞吐量密度等性能指标，阐述了上述各参数之间的内在联系，建立了基于多信道的簇结构水声传感器网络容量分析模型。通过计算机仿真分析了干扰受限网络中在随机选择信道及按节点ID号划分信道两种信道分配方式下的网络容量性能。仿真结果表明在给定网络监测范围条件下，存在某个最优的节点密度使网络的容量得到最大值。此外，本文还分析了网络的工作频段、节点发射功率以及簇结构覆盖区域大小对网络容量性能的影响，并通过仿真验证了理论分析的有效性，为簇结构水声传感器网络的应用设计提供一定的参考依据。

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一种水上落点定位方法研究

蔡宗义*，许学忠，梁旭斌，赵天青，成龙，孙迪峰

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 27.

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研究了基于到时测量的多传感器落点被动定位方法，并对定位误差进行了分析和数值。该方法从传感器目标信号到时得出目标落点位置测量方程，根据个传感器得到的目标落到时数据计算目标落点在的准确位置。研究结果表明，该落点定位方法是可行的，定位精度，有一定的实用价值，可直接用于地面落点目标的定位。

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一种方位声波固井质量评价方法及测试应用

车小花1,2*，乔文孝1,2，刘鹏1,2，鞠晓东1,2，本建林1,2

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 33.

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针对传统的固井质量评价仪器方位分辨能力的不足，提出了一种方位声波固井质量评价方法并研制出了相应的测井仪器（AABT）。该仪器采用了两组具有三维辐射特性的圆弧阵发射器，与传统单、偶极子发射器相比，由于发射器采用了相控阵声波辐射技术，因此能够向三维空间中任意方向辐射声波信号。本文介绍了该仪器的声系结构、测量原理以及在中国的西北某油田的现场测试应用。测试结果表明，AABT通过首波幅度成像可以评价I（套管-水泥）界面的周向胶结质量；在I界面胶结质量良好的情况下，通过地层波成像，可以对II（水泥-地层）界面的周向胶结质量进行评价。

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超宽带水声信道中基于不等间隔傅里叶变换的OFDM多普勒系数估计

陈阳1*，殷敬伟2，赵安邦2

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 38.

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由于水声信道的超宽带特性，水声OFDM通信中不同子载波的多普勒频偏具有非一致性，影响多普勒系数估计的精度。本文提出按假设的多普勒系数确定空子载波频率，利用不等间距傅里叶变换计算空子载波的能量和为代价函数，利用最速下降法搜索代价函数最小值估计多普勒系数。该方法可避免通过估计各子载波非一致的CFO来估计多普勒系数而引起的误差，提高多普勒系数估计精度，同时利用NUFFT计算空子载波的能量和，可有效降低算法计算量。通过湖试实验数据验证本文方法，实验中相对移动速度达5kn，信号相对带宽达67%，利用本文方法估计的多普勒系数对数据进行多普勒补偿，获得了优良的通信效果，显示了该方法的有效性.

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蜂巢活塞板力学等效仿真分析

方厚林*，刘阳，张亮永，杨俊梅，程章

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 45.

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蜂巢板独特的结构使其具有较高的比弹性率(E/ρ)，在大尺寸活塞辐射换能器中具有重要的应用价值，蜂巢数量巨大使仿真所耗电脑资源大，甚至得不到结果。本文以蜂巢活塞板为，研究了蜂巢密度对力学性能的影响，提出了蜂巢板分析的等效，进一步了蜂巢板受力变形公式，了力学相似模型。研究结果表明：蜂巢板和蜂巢密度反相关，相似模型。本研究为蜂巢板在大尺寸活塞辐射换能器中的应用奠定了一定的技术基础。

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一种基于MVDR-MMP的水面干扰抑制方法

付留芳1,2*，赵国君3，章新华1，窦平轩2，李鹏1

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 50.

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在水面离散强干扰下检测和定位水下安静目标是浅海匹配处理中的一个重要问题.根据简正波理论,声场是所有传播模态的叠加,而这些模态是深度的函数.理论上,浅海常见的负梯度声速剖面下,水面声源和水下声源激发的简正波模态具有明显差异性.基于模匹配处理方法,通过对声源激发简正波模态的筛选,对水面干扰进行抑制.仿真表明:匹配模处理能够有效进行干扰和目标的定位,而常规低阶匹配模处理能够在较低精度下抑制水面干扰,而对角加载的MVDR匹配模处理能够在此基础上有效抑制旁瓣,提高定位精度.

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基于信道估计的判决反馈均衡器在时变水声信道中的应用研究

付强1,2，肖沈阳1,2，郑思远1,2，刘胜兴1,2*

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 55.

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基于信道估计的自适应判决反馈均衡器，简称CE-DFE均衡器，能根据信道估计结果自适应更新判决反馈均衡器的前馈和反馈抽头系数，具有较强的信道跟踪能力。本文将CE-DFE均衡器应用水声相干通信，研究了其在非时变和时变浅海水声信道中的均衡效果，比较了其与传统的最小二乘回归-判决反馈均衡器（RLS-DFE）的性能差异。仿真表明：在非时变浅海水声信道中，两种均衡器的性能基本相同，在所研究的信道中，信噪比大于10dB时，输出误比特率小于10^-3；在时变浅海水声信道中，CE-DFE均衡器由于能根据信道参数自适应调节判决反馈均衡器的参数，其性能优于RLS-DFE均衡器。

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河道流量的高频声层析监测研究

郭宜君1，张宇1*，赵宗曦1

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 60.

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海洋声层析作为一种有效的温流监测手段不仅可以用于大洋、近海等大中尺度海域的观测，同样可以应用于对河道、湖泊、航道等小尺度（几百米至上千米）的观测。声层析反演结果的分辨率主要取决于声波的频率以及声波传输时间的测量精度。本文为了研究高频声层析在河道的应用，在福建省漳州市九龙江北溪的江东水库设置了两个可以发射高频声波的声层析观测站点。北溪的平均水深为8 m，深度由中间向两岸递减，站点之间距离415 m，观测中所采用的声波频率带宽为40-80 kHz，中心频率为60 kHz，采用声层析互易原理监测水库的温流参数变化。实验证明本文所使用的方法能够较稳定地测量出声波参数随传输环境的变化，所测得的互易声传输时间可以有效地反演出该区域的温流参数，说明海洋声层析技术在提高频率的情况下也适用于对河道这种小尺度水域的流量、温度监测。

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基于声传播特性的供水管道泄漏检测与分类

季舒瑶，袁飞*，程恩，陈柯宇

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 64.

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针对供水管道泄漏检测方法缺乏识别分类功能，并且传统人工巡检可靠性低的问题，本文设计了一套基于HHT变换和BP神经网络的供水管道泄漏检测和分类方案，用功率谱和HHT变换提取出典型频率特征用于泄漏检测；IMF分量的归一化能量结合BP神经网络用于分类识别泄漏类型。通过采集大量不同泄漏类型声信号进行实验，证实该方案具有高于95%的检漏和分类正确率，具备一定的实际应用价值。

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超声阵列矢量全聚焦裂纹识别及影响参数研究

焦敬品1* 常予1 孙欣蓉1 何存富1 吴斌1

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 72.

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针对工业结构中裂纹缺陷的定位和方向识别问题，发展了一种基于超声阵列技术的矢量全聚焦成像方法。在修正的全聚焦成像基础上，提出了一种利用子阵列在聚焦点处矢量方向判断缺陷方向的方法，并将其应用于不同角度裂纹的方向识别。对单裂纹CIVA仿真模型进行了全矩阵数据采集和矢量全聚焦成像，研究发现，子阵列检测参数对裂纹方向识别具有不同程度的影响。因此，提出了子阵列检测参数的最优组合，可同时应用于多裂纹试块的缺陷定位和方向识别。

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高端超声波换能器匹配层的研究

李波波,钟家鑫,杨丹青,王新龙

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 78.

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超声波换能器已经广泛应用于工业无损检测、医疗诊断等重要领域.同时,随着应用的日益深入,对超声换能器的性能也不断地提出了更高的要求.然而,基于传统的1/4波长匹配技术而制作的超声换能器其带宽等性能已经远远不能满足需求,亟需开发新一代宽带高效的阻抗匹配技术.从非均匀媒质的声波方程出发,首先分析了阻抗按梯度变化媒质的声能量透射,其次探讨了利用变截面管道和分层媒质的方式实现等效的梯度媒质,然后利用有限元软件详细模拟了两至四层匹配的透射性能,已得到了优化的参数.

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基于超声波时差定位和卡尔曼滤波的服务机器人导航方法

李剑汶¹,周慧¹,王小阳¹,童峰^1,2*

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 82.

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与科学研究、国防、警用、核电站等专用用途的移动机器人相比，应用于办公、医院、餐厅、超市等服务领域的服务机器人移动路径相对简单，行走路径以直线为主。本文采用三元阵超声波被动定位算法进行服务机器人实时定位，为了降低定位系统所需的信标数量，建立服务机器人运动模型并结合卡尔曼滤波算法进行定位轨迹后置处理，提高了较大范围内的服务机器人导航定位精度。实验结果验证了本文方法的有效性。

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超声相控阵线型阵列探头的声场建模与仿真

李立兵，施浩，潘永东*

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 87.

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超声相控阵检测技术是一种先进的超声无损检测技术，它通过对超声阵列换能器中各阵元激励时间的控制，可实现波束合成，可任意控制焦点位置，具有动态聚焦、电子扫查、扇形扫描等特性，检测结果直观，已成为国内外超声波检测技术的研究热点。本文基于瑞利积分和Pencil法，采用了一维线型阵列探头声场半解析法计算模型，通过Matlab编程进行了探头声场仿真。仿真结果表明，声场计算模型能较好的反映探头聚焦声场，可通过改变探头参数，对聚焦声场进行调控，且效果良好，可为超声相控阵探头的研制和实际检测应用提供理论依据。

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水声中 LDPC码和码性能比较研究

刘胜兴1,2* 付强1,2

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 92.

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信道纠错编码对提高水声通信系统的误比特性能具有重要意义。本文将信道译码器和自适应判决反馈均衡器级连，比较研究了非规则 LDPC 码、 (3,6) 规则 LDPC 码和 Turbo 码在浅海水声信道中的性能。结果表明：短码长时，三种纠错编码的性能基本相同，但随着码长的增大，非规则 LDPC 码的性能明显优于 Turbo 码和规则 LDPC 码。当码长 8000 ，误比特率 10^-4 时，非规则 LDPC 码的性能比 Turbo 码和规则 LDPC 码分别提高了约 0.23 和 0.33 dB 。

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水下射流噪声数值计算与试验研究

刘永伟1,2*，商德江1,2，李琪1,2，尚大晶1,2，唐锐1,2，张超1,2，肖妍1,2，芦雪松1,2

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 96.

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水下射流噪声所引起的安全性日益受到重视。基于大涡模拟和莱特希尔声类比方程相结合的方法，对一圆形喷嘴的射流噪声开展了数值仿真。采用有限元软件（ANSYS）建立喷嘴和流体的计算模型，利用ANSYS中的Fluent软件进行流场计算，得到随时间变化的射流流场特性，然后对其进行傅利叶分析，导入至ACTRAN软件进行声学计算。经分析发现：射流辐射噪声主要发生在距离喷嘴8~10D（D为喷嘴横截面的最大尺度）的过渡区；而且射流所辐射噪声的指向性是四极子的。基于混响法的原理，建立了一套水下射流噪声测量系统。开展了射流源为重力式水箱的射流噪声试验。经研究发现：水下射流噪声辐射声功率总声级与来流速度的8次方成正比。对于同一类型的喷嘴，射流噪声总声级只取决于射流源的压力，而与喷嘴的截面积无关。试验研究结果与仿真结果吻合较好！研究结果对于指导水下射流结构低噪声设计有较为重要的参考价值。

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EMD在目标声信号特征提取中的应用研究

赵天青, 梁旭斌，许学忠*，蔡宗义，孙迪峰

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 102.

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研究在车型识别中基于经验模式分解EMD)的特征提取算法。针对地面运动目标产生的声信号，长期以来主要是通过假定信号短时平稳来提取特征参数的，提取得到的是目标信号的短时静态特征。本文以适用于非线性时变信号分析的经验模式分解法(EMD)为基础，提出了一种基于EMD的能量比率系数提取方法。并在BP神经网络下，对三类车辆样本数据，测试验证了提取特征的有效性。实验证明，该方法利用EMD分解后信号动态频率组成，能准确表征声目标频带-能量特征，为识别系统提供更丰富的目标信息。

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反射面起伏程度对超声波测距精度影响研究

王小阳1，童峰1,2*，阮橙2

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 107.

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本文研究了超声波测距中不同的反射面粗糙度对测距精度的影响。首先给出地面粗糙度的定义，然后考虑超声波发射、在反射面形成反射回波、回波接收这一过程进行数学建模分析，建立超声波测距结果与反射面粗糙度之间的关系。并进一步通过对不同粗糙度反射面进行超声波测距实验及实验数据分析，实验结果验证了超声波测距精度与反射面粗糙度之间存在的关系。本文获取的结论对超声波测距系统实际应用有一定指导意义。

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动物声通信的非线性频率-重量标度特性

杨帅1，张宇1*，王睿卿2

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 112.

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自然选择使不同的动物使用不同的声音频率进行交流，动物根据自身的条件和最佳的声音传播距离选择最优发声频率。本文考虑发声频率f和声门下压P之间的非线性关系，采用被动生物声呐理论和离体喉实验，对预测动物发声频率标度特性进行优化。分别对声门下压为10 到31 之间的发声频率进行线性拟合，声门下压为10cmH₂O 到49cmH₂O 之间的发声频率进行非线性拟合（拟合优度分别为R²=0.98、R²=0.99）。结果显示，考虑声门下压和发声频率之间的非线性关系，得到动物发声最优频率和体重的0.67次幂呈反比。

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基于AUV运动控制的水下传感器网络部署策略

殷文正1，刘胤祥1,2，姜卫东1＊

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 116.

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为提高水下传感器网络覆盖率，该文提出一种基于AUV运动控制的网络部署策略。通过引入改进虚拟力算法，加强事件对AUV节点的虚拟作用力，改善AUV节点运动控制，降低事件分布不均匀对网络覆盖的影响。仿真表明，该方法能有效提高网络事件集覆盖率，同时AUV移动距离也有所降低，节点移动能耗得到控制。

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疏浚船水下违规抛泥行为的声学检测方法

袁飞1，张榕鑫1，汪佳乐2，程恩1*

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 120.

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针对港口疏浚驳船存在违规抛泥现象，本文提出一非接触式检测方案，以Chirp信号作为探测信号，利用希尔伯特黄变换提取探测信号成分，进而获取信号特定频段的能量熵特征。通过对“无抛泥”和“抛泥”两种状态下的接收信号进行分析，得到两者希尔伯特边际谱的能量熵具有明显的差异，以此作为疏浚驳船抛泥行为的检测。在不同场景条件下进行大量的数据仿真分析发现，无抛泥情况下误检概率0%，抛泥情况下漏检概率在6%以下，该方案具有良好的稳定性和可行性。

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空耦超声激发板波的COMSOL模拟

张东波，赵金峰，潘永东*

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 129.

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空耦超声检测为非接触式无损检测，无需耦合剂，检测操作避免人为因素，可应用于较复杂的检测环境。论文针对空耦超声激发板的声传播，利用传递矩阵法计算得到其反射系数和透射系数随入射角和频厚积变化的规律。基于反射系数和透射系数在不同入射角和频厚积下的分布，选择S0板波模式进行声波激发，利用在COMSOL计算区域边界添加无限单元消除声波在边界处反射，得到了板波的反射和透射声场，并观察到板波在结构中反射和透射的实际过程。

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大功率扬声器阵列互辐射作用等效电路分析

张亮永*，许学忠，方厚林，张芳，刘阳

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 134.

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合理的利用阵元间互辐射作用，可以优化组阵设计，更好的控制波束。本文基于扬声器等效电路模型和Pritchard互辐射阻抗公式，对大功率扬声器三元组合阵的互辐射作用进行了研究，通过仿真得到了互辐射作用随频率和阵元间距对阵元输入电压阵列轴向声压的影响规律，并进行了实验验证。仿真和实验结果表明，频率为谐振频率1100 Hz、阵元间距为0.2 m时互辐射作用对阵元输入电压和轴向声压有明显影响，频率800 Hz~1500 Hz范围的仿真结果和实验结果符合好。

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两种菊头蝠超声发射特性与鼻叶形态的相关性

张智伟1*，王福勋2，赵昕1，庄桥3

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 139.

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采用有限元方法对两种菊头蝠超声发射特性与鼻叶形态的相关性进行了数值研究。首先对两种菊头蝠鼻叶样品进行CT扫描，获得鼻叶的原始数字投影图像。利用三维锥形光束重建算法得到鼻叶的横断面图像，图像处理使鼻叶可清晰分辨边界，然后利用三维数字图像处理技术获得蝙蝠鼻叶的三维数字图像模型。采用有限元方法模拟了两种鼻叶结构的近场声压分布，从近场外推得到了远场方向敏感性函数，来分析在方位角、仰角的指向性。最后，测量鼻叶超声波束在仰角方向上的宽度，得到两种鼻叶的超声发射特性，通过与两种鼻叶鞍状叶长度做对比，得到了两种菊头蝠的超声发射特性与其鼻叶鞍状叶长度的相关性。结果表明，鞍状叶在超声发射过程中对于控制仰角指向性有重要的作用，同时鞍状叶长度与超声频率有明显的负相关性。

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马来假吸血蝠耳屏声学特性的数值研究

赵利贤1，陈晓乾1，王福勋2，3，庄桥1*

南京大学学报(自然科学版). 2015, 51(7): 143.

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马来假吸血蝠耳廓。利用高分辨率X射线微型CT机对马来假吸血蝠耳廓结构进行扫描，得到其耳廓结构的断层扫描图像，通过高斯滤波器和二值化处理，并三维数字结构重构。手工处理这种数字结构，得到原始耳廓结构、无耳屏耳廓结构的三维数字结构。运用数值计算的方法，得到两种耳廓结构不同频率下的近场声压幅度图和远场波瓣图，比较耳廓对近场声压分布和远场辐射的影响。结果表明：耳廓内的耳屏对频率有选择性的影响，在50 kHz和 70kHz对近场声压分布影响最大；对远场波瓣图，低频和高频时拆分主瓣，中频时合并旁瓣.

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