充水透声结构声目标强度预报方法研究

充水透声结构是水下航行体重要的结构类型之一,主动声呐作用于目标时,声波可以透射充水透声结构外表面进入结构内部,在充水透声壳体结构内表面产生内部散射,从而影响目标的目标强度。文章提出了一种适用于透声结构目标强度预报的考虑透声的修正板块元方法,此方法假设散射声场近似为内表面板块散射声场和与之对应的外表面板块散射声场叠加,基于Z-Buffer算法确定充水透声结构的外、内表面板块之间的透射遮挡对,再考虑外表面板块的反射和透射系数、内表面的反射系数,采用非刚性表面板块元方法对两部分声场进行分别计算,相干叠加后预报总目标强度。此方法考虑了充水透射结构内表面的一次散射,物理概念清晰,提高了板块元方法预报精度。通过双层平板算例验证方法的正确性,并将此方法应用于BeTSSi Ⅱ潜艇模型中的典型透声结构——围壳部分的目标强度仿真计算,最后通过围壳缩比模型目标强度水池试验,验证了提出的方法预报精度。     

薄壳目标的多基地声散射特性研究

文章对水中薄壳目标的多基地声散射特性进行了理论仿真与试验测量研究。首先采用有限元耦合边界元和基尔霍夫(Kirchhoff)近似积分两种不同的数值计算方法对内部充气球冠圆柱壳的多基地声散射特性进行建模仿真,然后通过目标在消声水池的散射声场试验测量验证仿真结果的有效性。采用相同的数值计算方法对Benchmark模型的多基地散射声场进行仿真计算,分析多基地(全向)声散射特性及散射机理。结果表明,水中目标多基地散射的回波强度与回波结构与多基地分置角相关,且回波亮点的主瓣宽度也随多基地分置角变化而变化;Benchmark模型的艇体和指挥舱之间存在强烈的干涉作用,使多基地(全向)散射声场的竖状条纹发生倾斜。研究为水下目标的多基地探测提供理论支持。     

闭式蛙人目标强度预报及试验

闭式蛙人穿戴潜水服、眼镜、头盔和脚蹼，同时携带水下闭路呼吸器等在水下工作。本文通过理论建模和试验，研究水下闭式蛙人回声特性。将非刚性表面高频条件下目标回声特性预报的板块元方法算法进行局部修正，以适应考虑遮挡情况下不同属性材料组合目标回声特性预报计算。建立闭式蛙人潜水装备的分层介质反射系数模型，结合其几何外形的三维精确建模，计算闭式蛙人回声特性。给出了游泳姿态的0°～360°目标强度、回波时域角度谱、蛙人表面亮点分布等细致的计算图像。开展了真实闭式蛙人的湖上试验，理论计算与试验测量进行了对比分析。研究表明，气瓶、潜水服是主要的回波贡献，闭式蛙人目标强度概率分布区间在频率为50、70 kHz时为-20～-13 dB，在频率为80 kHz时为-23～-17 dB。     

水下刚性角反射器散射特性

为了分析水下角反射器的声散射特性,提出了一种计算水下凹面目标散射声场的方法。采用ANSYS软件构建水下角反射器实体模型,再利用声学分析软件SYSNOISE对其远场散射声场进行仿真。计算了二面角反射器的目标强度,并与声束弹跳法和板块元法的计算结果进行对比,验证了该方法的适用性和精确性。对三面角反射器的散射特性进行了分析,得到了不同声波入射角度下的目标强度、目标强度随频率的变化规律以及散射方向图,结果表明,正方形角反射器的目标强度最大,三角形角反射器的散射宽度最大,角反射器目标强度不存在明显的频率效应。计算了八面角反射体的方向图,计算结果表明角反射器组合可以有效增大目标强度和散射宽度。     

宽吻海豚声散射特性研究

基于COMSOL多物理场仿真平台构建宽吻海豚3D模型，利用有限元数值方法计算在频率为1～5 kHz的调频信号照射条件下，海豚收发合置散射指向特性。结果表明：（1）由海豚模型0°～360°全向目标强度概率分布可知，其目标强度主要分布在-36.4～-11.2 dB;（2）肺部模型和海豚模型的频率响应特性具有较高的相似性，肺部是海豚总体声散射的主要贡献；（3）海豚频率响应在1.2、1.9、2.9、3.7 kHz附近，在4.3 kHz和4.8 kHz频率处出现较窄的共振模态谷值，验证生物组织介质中存在Whispering-Gallery波；（4）当频率为5 kHz时，海豚（肌体+肺部）的目标强度指向分布呈现“蝶形”，正横方向目标强度为-22.3 dB，头部方向目标强度为-34.2 dB，尾部目标强度为-34.3 dB。通过缩比海豚模型的水池回声测试实验，验证了数值计算的正确性。     

水中规则波纹表面球回声特性研究

运用声呐目标回声特性预报的板块元方法,研究了平面波入射水中规则波纹(正弦平方曲线波纹)表面球体的目标回声特性。分析了表面波纹高度、周期、入射平面波频率和入射方位角对声目标强度空间分布和频率响应特性的影响规律。讨论了不同频段目标强度空间分布特性的形成机理,得到了表面波纹参数与目标强度频率响应和空间分布特性的近似定量关系。通过水槽实验测量得到了3D打印的规则波纹表面尼龙球目标强度的频率响应和空间分布特性,测量结果与理论计算结果吻合较好。掌握规则波纹表面球体回声特性,有助于开展利用声学超构材料对散射声场调控的研究。     

带障板水听器基阵阵列流形的边界元计算及验证

建立一种复杂结构水听器基阵阵列流形计算模型。该模型运用声场计算的边界元方法,通过计算任意散射体表面声场分布,求出基阵阵元位置处声场响应,进而得到基阵阵列流形;基于该阵列流形,运用波束设计方法求出阵元权值,分别利用实测和理论阵列流形得到基阵实测波束以及理论波束。针对安装在半球形硬质铝壳体上的圆弧阵进行的水池实验,实验结果表明实测阵列流形和基于边界元方法的计算结果基本吻合,实测波束和理论波束相差不大,并且性能均优于按无指向性点接收器经相位补偿后相加所得到的波束。     

二维圆柱对旋转单极子点源的声散射

采用理论分析和数值计算方法研究二维刚性圆柱对旋转单极子点源入射声波的散射效应。齐次Helmholtz方程基本解在极坐标系内用自由空间格林函数的级数展开式表示。对任意形状的刚性散射边界,通过求解线性声学波动方程建立声场边界积分表达式。数值解可在频域下采用边界元方法获取。进一步利用贝塞尔函数的加法定理,分别推导点源与圆柱同轴、异轴旋转状态下的声场理论解析表达式。边界元方法的数值解与理论解析解吻合一致。点源向外辐射声波的频率由点源谐振频率、旋转频率和谐波阶次共同决定。点源与圆柱同轴旋转时,谐波阶次为0 的声波以同心圆状向外辐射,不为0 的声波则以螺旋状向外辐射,螺旋瓣的数量由谐波阶次的绝对值相同。点源与圆柱异轴旋转时,圆柱的声散射呈现显著的偶极子特征,且声场的指向性复杂。     

中高频段下的粘弹性材料声学参数测量

为了实现粘弹性材料在高频段上的声学参数测量,提出一种自由场测量方法,通过测量目标的水下散射声场指向性,计算目标散射场声压的前几阶勒让德系数,建立以目标的材料声学参数为变量的数学模型,并运用遗传算法进行参数反演.仿真结果表明以铝球的杨氏模量(E)为例,不存在声场误差的情况下反演精度可达0.0014%,铝球散射场的实验数据也提供了较高的参数反演精度.将此方法应用于中高频段上某种成分的粘弹性材料参数测量,成功地获取了其在此频段上的声学参数.提高目标散射场的测量精度有利于目标材料反演精度的提高.此方法避免了对声压相位的测量,减少了影响精度的因素.     

浅海单模入射声场目标回波特性研究

浅海环境中,目标回波受到入射和散射双向过程的信道多途影响,具有复杂的多途结构。基于相控垂直阵的单模发射技术能激发出指定的单个简正波声场,可以降低海底混响干扰,简化目标回波多途结构,为主动探测提供了一种有效手段。在信道中点声源目标回波模型基础上,采用简正波本征函数加权研究了单模声场入射下球形目标散射问题,建立了浅海单模入射声场目标回波预报模型,并利用模型对刚性球回波进行了数值计算。结果表明:总声源级相同条件下,单模发射声场与传统的点声源发射声场相比具有一定的阵发射增益,目标回波具有较高的声压级;单模入射能够消除单程多途的影响,回波结构相对简单,有利于目标的探测和识别。     

半空间内二维圆柱声散射理论解析解

采用理论解析方法研究半空间内二维非紧致圆柱的声散射。齐次Helmholtz方程的解在柱坐标系内用自由空间格林函数的级数展开式表示。基于镜像源方法,利用刚性半空间边界反射圆柱散射声波来解决半空间边界和圆柱之间的多重散射。结合等效源原理,处理半空间边界质量型阻抗特性和刚度型阻抗特性对声传播的影响,推导单位强度简谐单极子点声源产生声场的理论表达式。总声场可以表示为四个分量的总和:入射声场、反射波以及圆柱和镜像圆柱的散射声场。采用边界积分方法对声散射进行计算,以验证理论公式的正确性。点声源模型的理论解析值与边界积分方法数值解在研究的波数和观察点角度范围内一致。     

小球散射超声脉冲声场的指向性

基于对小球散射单频连续声场的研究,利用傅立叶变换对换能器激发的小球散射的脉冲声场进行分析,推导了小球散射脉冲声场的指向性函数计算公式,并计算了指向性函数值。与实验结果对比表明,在换能器中心频率较低、刚性小球半径较小的情况下,所推导的计算公式是可靠的。     

复杂非水密结构目标强度预报方法研究

为准确预报表面敷设声学覆盖层，内部含耐压圆柱体的非水密结构声目标强度，构建了一种新的参数反演方法。将遗传算法与非线性规划相结合，在考虑斜入射、多次散射、吻合效应以及横波波速阈值的情况下，利用分层介质理论建立了双层弹性介质层反演模型，以此替代含复杂内部结构的声学覆盖层，该反演模型与原结构在各个角度下均具有基本相同的反射系数与透射系数。进而，应用COMSOL Multiphysics软件建立表面敷设声学覆盖层，内部含耐压圆柱体的复杂非水密结构与外壳由两种反演材料组成的等效结构，并求其声散射特性。研究表明：收发合置情况下，原结构与等效结构目标强度值基本一致，各个方向入射时研究频段整体误差在1.5 dB以下；30°收发分置情况下，原结构与等效结构目标强度波峰波谷趋势相同，各个方向入射时研究频段整体误差在2 dB以下。中高频段，原结构与等效结构目标强度指向性吻合程度较好；中低频段，原结构与等效结构目标强度指向性基本一致，但幅值存在差异；总体来看，-30°～30°范围内，除个别频率外，原结构与等效结构目标强度基本吻合。     

大粗糙度起伏下一维海面声散射建模与分析

针对起伏海面高频声散射计算问题,提出了一种改进的基尔霍夫(Kirchhoff)近似方法。该方法考虑了海面的阴影区和亮区之间的多次散射声场,可对小入射角下大粗糙度起伏海面的散射声场进行计算。以一维余弦和高斯谱海面散射声场的有限元计算结果为标准解验证了所提方法的准确性和适用性。利用该方法计算了一维余弦海面的散射强度,分析了不同入射声波频率和角度下海面散射强度的分布情况,并解释了Bragg散射的产生机理,同时讨论了不同海面均方根高度和相关长度情况下高斯谱海面散射强度的变化规律。     

响度三维空间分布重建

将近场声全息方法和声品质客观参量计算方法相结合,提出声品质客观参量-响度的三维空间分布重建方法,该方法通过建立从声压分布到响度分布的映射模型,计算声场中不同位置的声品质客观参量大小,得到响度的三维空间分布。为了验证方法的有效性,分别在单个点声源和两个点声源形成的声场开展响度三维分布重建模型的数值仿真分析研究,检验了重构距离、频率和双声源间夹角等参数对声压重构精度和响度三维分布重构精度的影响。同时,在全消声室内使用刚性表面球形传声器阵列对含两个扬声器辐射形成声场的进行了响度三维分布重构模型的实验验证。仿真和实验结果表明:该方法在近场声全息声场重建的基础上有效实现了响度三维空间分布的重建。     

一种基于流固耦合问题的低频散射声场预报方法EI北大核心CSCD

提出了一种流固耦合作用下的低频散射声场预报方法。从边界积分方程出发,推导弹性散射中流固耦合方程,通过引入附加质量、附加阻尼、附加压力概念实现解耦。将弹性散射表述为纯刚性散射项与二次辐射项的叠加,建立了刚性散射与弹性散射的联系。与辐射问题不同,散射中流体对结构的作用不仅表现为附加质量和附加阻尼,还存在一个与结构响应无关的压力项,且该压力项是二次辐射项的激励源。采用Fortran编写了边界元算法程序,用DMAP语言实现与Nastran的对接,形成了完整的散射声场预报方法,通过与理论结果对比,验证了预报方法的正确性。圆柱壳散射的计算结果表明:低频散射时弹性不可忽略;圆柱壳厚度对弹性散射强度和指向性有明显影响;肋骨对柱壳散射的影响与振动形式有关,环肋骨对以弯曲模态为主的弹性散射影响很小。     

基于区域分解的快速多极基本解法预测发动机表面辐射声场

针对发动机表面结构复杂,多狭长边界,用通常算法求解源点分布无法保障基本解法计算精度问题,提出改进的计算源点分布算法,利用区域分解处理影响基本解计算精度的狭长边界;结合快速多极算法,形成适于三维复杂表面辐射声场预测基于区域分解的快速多极基本解法。利用区域分解求解发动机计算模型的源点分布,在源点分布已知基础上利用快速多极基本解法预测发动机表面辐射声场。结果表明,利用区域分解求得源点与配置点最优距离为34.5mm,可提高发动机辐射声场预报精度;截断项数为15时可避免截断项数过小引起的低频不稳定,并保证计算效率;不同于快速多极边界元用网格加密提高计算精度,基于区域分解的快速多极基本解法通过区域分解进行优化源点分布可提高精度,且不增加计算负担。通过发动机表面辐射噪声实验,计算值与实验值吻合较好,说明该解法可提高发动机表面辐射声场的预测精度。     

复杂声场环境下目标声源声场重建误差分析

针对目标声源在复杂声场环境下进行声场重建易受到其它声源干扰的问题,提出存在干扰源声场、散射声场及目标声源声场的混合声场环境下基于单面声场分离技术的目标声源声场分离及重建方法。首先,通过理论分析和公式推导,清除干扰源声场及散射声场的影响;然后,利用传递函数性质对声场分离及重建误差进行分析,并对计算公式中存在的奇异性问题予以消除,得到高分辨率的声场重建图像。数值仿真表明:利用常规的单面声场分离技术很难重建混合声场环境下目标声源的声场,而利用本文研究的声场分离及重建方法能够很好反映目标声源声场的实际情况,提高声场重建的精度。     

声场分解的均匀圆阵实值MUSIC算法

经典方位角估计算法中未考虑阵列安装支架对阵列接收信号的影响,实际中阵列安装支架必然会对阵列接收信号产生影响。以环绕在刚性球上的均匀圆阵为阵列模型。在对声场特性的分析中将声学原理和阵列信号处理技术相结合,探讨了存在刚性球形障碍物时的声源方位角估计问题。首先从声学理论出发,分析了刚性球体散射声场及声场分解,讨论了刚性球体对圆阵响应的影响;进而结合阵列信号处理技术,在对声场分解所得到的特征波束空间,利用实值MUSIC算法实现了声源方位角估计。计算机仿真表明,该算法能较好地估计出空间多个声源的方位角,且计算量小,估计精度高,具有解相关声源的能力。     

刚性曲面障板散射对多模球形水听器测向的影响

文章将板块元法应用于收-发分置时近场散射声场的计算,讨论了存在刚性曲面障板时障板散射对多模球形水听器测向的影响。研究结果表明,刚性曲面障板会使水听器在某些方位出现较大的测向误差,此时目标信号频率和俯仰角变化也会对测向产生较大的影响。存在刚性曲面障板时,等效声中心不对称对测向误差的影响较小,而等效声中心不共面对测向误差的影响要比不对称时明显得多。