水中气泡分布的共振估计法的误差分析及修正.pdf

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1、第36卷第6期2017年12月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．36．No．6Dec．2017doi：10．3969／j．issn．1003—2029．2017．06．014水中气泡分布的共振估计法的误差分析及修正黎章龙，屈科4，张薇，何树斌f广东省近海海洋变化与灾害预警重点实验室，广东湛江524088)摘要：基于共振估计法反演的气泡分布与实际气泡分布在小半径区间并不吻合，两种分布得到的声衰减系数在高频段具有明显差异。针对这一问题．提出了一种分频段反演方法，先对低频段分布进行反演．然后在高频段声衰

2、减中减去低频段对应的非共振效应，得到高频段共振声衰减。理论仿真结果表明：分频段反演对于非共振效应的影响有较好修正，修aY--后反演方法估计的声衰减系数在全频段范围内和仿真环境声衰减系数吻合较好。该方法可以有效减少反演误差并提高反演准确度。关键词：气泡分布：声衰减系数：共振估计法；分频段反演中图分类号：0427．4文献标志码：A文章编号：1003—2029(2017)06—0078—04在海洋环境科学中，气泡作为海水一空气之间气体输送和物质交换的载体，也是海洋噪声的来源之一。水中气泡的分布对潮汐动力、海洋表层的声磁特

3、生、大气颗粒物

4、的形成等等都有着重要影响。所以，测量海表气泡分布对于海洋探测有着十分重要的意义。检测气泡半径与分布有声学和光学两种方法。光学方法主要通过高速照相机进行捕捉检测。高速照相机具有分辨率高、可以直接获取气泡分布等优点，但对背景环境光照有很高的要求，而且在实际状况下，会产生影像重叠，使得检测结果误差增大。此外，虽然光学方法精度高，但是观测面积小，满足不了实际状况下对大面积观测的要求。曹瑞雪⋯对海洋表层及次表层气泡分布系统研究后，设计了高分辨率的CCD成像系统，并对背景光源和视频采集等进行了改良，有效地提高了反演准确度。但是，光学方法依旧无

5、法满足大面积观测的需要。声学方法虽然在精度方面不及光学方法，但其成本低，操作简单快捷，而且观测面积大。所以，研究和改进声学气泡反演方法，可以以较低成本，简单快捷测量出气泡的分布，进而研究海气相互作用的内在机理。共振谱法是反演水中气泡分布中被广泛使用的方法。国外KerryandElan对共振估计法进行了详细的研究，结合孑L隙率、声衰减系数等与反演密切相关的参数，提出了共振谱反演算法，还对假设分布的选取等问题进行探究，分析了共振谱法的误差来源，并针对其误差提出了分步反演的修正方法口1。国内对气泡的声学研究主要集中于船舶尾流和气幕弹产生

6、的气幕等方面。钱祖文在20世纪80～90年代对海洋气泡进行了大量研究，他的研究表明，当气泡浓度很高时，气泡间存在相互作用，可以采用声学反演法分析气泡的相关参数t3‘5]。林巨17I在分析共振反演法的适用范围后，结合辐射阻尼系数与声信号频率之间的反比关系，建立了AW修正模型，对共振估计法进行了改进。谢萍f8J对共振谱法的误差提出了声速修正，较好地修正了反演结果，但是对于非共振效应的研究还比较少。范雨拮【9】提出了等效空间关联函数概念，所建立声学反演方法能准确反演出气泡群的分布及聚集趋势。张忆呻提出了一种新的声学反演方法，即通过测量不

7、同声波频收稿日期：2017-06—20基金项目：广东省自然科学基金资助项目(2014A030310256)；广东海洋大学创新强校工程资助项目(GD0u2016050246)；大学生创新创业训练计划资助项目(CXXL2016009，CXXL2017129)；广东省高水平大学海洋科学重点学科资助项EI(A14405)作者简介：黎章龙(1997一)，男，主要研究方向为水声学逆问题。E—mail：lon9970728@sina．eofrl通讯作者：屈科(1984一)，男，讲师，主要研究方向为海洋声场建模与水声学逆问题。E—mail：quk

8、e09@ma舨ucas．ae．ell第6期黎章龙。等：水中气泡分布的共振估计法的误差分析及修正率下气泡群的散射强度，进而反演出气泡的粒径和密度。本文针对经典共振谱法存在的问题，仿真分析了非谐振频率的误差，提出了一种分频段反演方法，有效地解决了经典共振谱法存在的缺陷，提高了反演精度。1共振谱反演方法共振估计法的假设是只考虑气泡的共振效应，忽略非共振频段的声衰减影响。假设气泡半径为口，入射声波波长为A，声波波数为K，且K口≤1。由于本文主要考虑非共振效应对反演结果的影响，所以对于共振谱法在特别高频范围(如10000kHz以上)不满足前

9、提条件Ko≤1而影响到在高频段的反演效果的情况，不给予考虑。结合散射截面与衰减截面，可以推导出声衰减系数积分公式【21：。-叮，3』』ii凳黼d口c·，。l叮’3』。—f乙石乙ii霸d口。1’式中：d．(，l为声衰减系数，dB／m；n㈣为气泡分布m