摘要
水下排气气泡流在形成过程中会向外辐射声信号，其声信号中富含气泡流内气泡的大小、数量和分布等信息，气泡流声学特征的利用和控制是很多领域目前关注的热点。例如，在过程工业中，通过分析鼓泡塔内气泡流辐射声信号的特征，可以检测塔内气泡流的流动状态，从而为生产操作提供指导；而在水下航行领域，可以利用排气参数与声信号特征之间的关系，通过优化排气参数来降低排气噪声强度。简而言之，理解和认识水下排气产生的气泡流的声学特性和机理，掌握气泡流声学特征和排气参数之间的定量关系，对于水下被动声学检测和水下排气降噪等诸多工程领域都具有重要意义。 本文以水下排气所形成的气泡流为研究对象，针对气泡流在产生时向外辐射的声信号，通过理论分析和实验研究等方法，对其产生机理、时频特性以及频率特征随排气参数的变化规律展开了深入研究，为基于气泡流的水下被动声学检测和水下排气降噪方法的研究提供支持，主要工作如下： （1）设计并搭建了水下排气气泡流声场-流场同步测量实验系统，并结合气泡声学研究了水下排气气泡流的声特性及其形成机理。结合气泡声学、图像处理以及数字信号处理等方法，研究了气泡流辐射声信号的时域、频域和时频域特征及特征的形成机理；通过气泡流流场和声场同步分析，研究了气泡流声信号的产生机理。 （2）结合气泡声学、气泡动力学，建立了水下排气气泡流主导频率与排气参数之间的定量关系，并利用实验研究对其进行了验证。基于信号处理和统计分析，提取了能够有效表征气泡流声信号频域能量分布的等效峰值频率；结合气泡动力学、气泡声学理论，以气泡参数为桥梁，建立了气泡流主导频率与排气气体流速、孔口直径和孔口数量这三个主要排气参数的定量关系，并结合控制变量的实验方法对定量关系进行了验证；基于所建立定量关系，分析了各排气参数对气泡流辐射声信号特征的影响规律。 （3）基于气泡流主导频率和排气参数之间的定量关系，提出了一种排气降噪方法并对其降噪效果进行了实验研究。基于频率受排气参数的影响规律，提出使用多个小直径孔口来替代单个大直径孔口的排气降噪方法，通过提高排气噪声频率来加速噪声衰减；据此设计了一种有效的水下排气降噪装置，并通过实验研究了装置的降噪效果。 本文针对水下排气气泡流辐射声特性的研究，揭示了气泡流的声特性及其形成机理，建立了气泡流声特征参数和水下排气参数之间的定量关系，从而为水下被动声学检测提供理论支撑；基于定量关系提出的水下多孔排气降噪方法，以及基于降噪方法设计的有效的水下排气降噪装置，能够为水下排气降噪提供新的思路和方法。
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