陳鑫，羅祎

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水下剛性角反射器散射特性

陳鑫，羅祎

(海軍工程大學兵器工程學院，湖北武漢 430033)

為了分析水下角反射器的聲散射特性，提出了一種計算水下凹面目標散射聲場的方法。采用ANSYS軟件構(gòu)建水下角反射器實體模型，再利用聲學分析軟件SYSNOISE對其遠場散射聲場進行仿真。計算了二面角反射器的目標強度，并與聲束彈跳法和板塊元法的計算結(jié)果進行對比，驗證了該方法的適用性和精確性。對三面角反射器的散射特性進行了分析，得到了不同聲波入射角度下的目標強度、目標強度隨頻率的變化規(guī)律以及散射方向圖，結(jié)果表明，正方形角反射器的目標強度最大，三角形角反射器的散射寬度最大，角反射器目標強度不存在明顯的頻率效應。計算了八面角反射體的方向圖，計算結(jié)果表明角反射器組合可以有效增大目標強度和散射寬度。

邊界元法；角反射器；散射聲場；目標強度

0 引言

水下角反射器通常由三塊相互垂直的平板組成，其作用是使入射聲波在一定空間范圍內(nèi)聚集，并沿入射方向反射回去，因此當聲波從一定角度范圍入射時具有較大目標強度。水下角反射器作為一種無源聲反射裝置，在民用中可應用于標記漁網(wǎng)、管道和線纜等水下結(jié)構(gòu)；在軍事中可制成無源干擾裝置，模擬水雷、潛艇等水下目標[1]，對抗主動聲吶；也可制成靶標，用于軍事訓練。因此對水下角反射器的聲散射特性開展研究具有重要意義。

由于水下角反射器存在凹面，在求解其聲散射特性時必須考慮聲波在其內(nèi)側(cè)的多次反射。經(jīng)典的求解水下目標聲散射問題的方法如物理聲學法、板塊元法[2-3]等并沒有考慮聲波的多次反射，無法有效計算凹面體目標的散射聲場。陳文劍等[4-5]提出了求解水下凹面體散射聲場的聲束彈跳法，并對水下角反射器的反向聲散射和角度加工誤差影響進行了分析。梁晶晶等[6]對聲束彈跳法進行修正，提出了水下凹面目標散射聲場的快速預估方法，降低了計算量。聲束彈跳法僅是一種近似的數(shù)值計算法，且存在計算結(jié)果不收斂，分析條件過于理想化等問題。

邊界元法是一種有效的計算水下復雜目標散射聲場的方法[7]，隨著計算機技術和基于邊界元法的聲學軟件如SYSNOISE的成熟，解決了邊界元法計算量大、對計算機硬件要求高的問題。SYSNOISE對模型進行仿真時會考慮聲波反射和折射等行為，當模型網(wǎng)格滿足最小波長內(nèi)含6個單元的要求時，可確保分析精度。本文采用振動-聲學分析軟件SYSNOISE對水下角反射器的聲學特性進行仿真計算。

作為聲吶干擾裝置時，為了提高干擾效率，須盡量增大角反射器的散射寬度，而普通的三面角反射器存在散射寬度較窄的缺點，作為目標被發(fā)現(xiàn)的概率較低，難以滿足對抗的需要。在雷達領域，常用八面角反射體或十二面角反射體來增大雷達散射截面[8]。本文對八面角反射體的水下聲散射特性進行了計算，計算結(jié)果表明八面角反射體在增大目標強度的同時，能夠有效增大散射寬度，減少反射器反射盲區(qū)。

1 邊界元法基本理論

邊界元法(Boundary Element Method, BEM)的實質(zhì)是把所研究問題的微分方程變成目標表面的邊界積分方程，再利用有限個積分單元將其離散求解，具有計算精度高、時間短等特點。SYSNOISE中邊界元法分為直接邊界元法(BEM Direct)和間接邊界元法(BEM Indirect)，間接邊界元法適用于模型內(nèi)外部均有流體介質(zhì)存在的情況；直接邊界元法適用于邊界元的一側(cè)存在流體介質(zhì)的情況。計算角反射器外部聲場采用直接邊界元法。

根據(jù)波動理論，理想流體中的波動方程為

在流固邊界上，存在邊界條件：

在無窮遠處，波動方程滿足索末菲爾德(Sommerfeld)條件[9]：

圖1 邊界元法的幾何關系

由上述三式可以推導出單頻散射聲場的亥姆霍茲(Helmholtz)方程：

式(4)建立起散射聲場中任一場點與結(jié)構(gòu)表面的聯(lián)系，因此，只要給定結(jié)構(gòu)表面的聲壓邊界條件或速度邊界條件以及聲壓和速度的關系，即可求解散射聲場。

結(jié)構(gòu)表面的聲壓、速度和聲強可以通過求解以上方程得到，對于聲場中任意一點的聲壓，須求解方程：

2 仿真和結(jié)果分析

利用ANSYS構(gòu)建角反射器三維模型，并用殼單元(SHELL181)對模型進行網(wǎng)格劃分，為確保分析精度，SYSNOISE要求最短波長內(nèi)至少含6個單元，將數(shù)據(jù)保存為*.cdb文件導入SYSNOISE中。定義流體密度為1 000 kg·m-3，流體中聲速為1 480 m·s-1，定義入射聲波為平面波，幅值為1 Pa，聲源距離目標100 m，滿足遠場條件，場點位于聲源處(收發(fā)合置)。

定義角反射器由剛性光滑平板構(gòu)成，反射過程沒有能量損耗。角反射器完全浸入水中，反射器表面與無限理想不動流體介質(zhì)中聲場耦合，其聲學邊界條件滿足結(jié)構(gòu)表面法向振速相等，且表面聲壓連續(xù)。定義角反射器表面滿足剛性邊界條件，則結(jié)構(gòu)表面的法向振速為零。

設置分析頻率為15 kHz，對目標表面聲壓、場點聲壓和聲強等聲學特性進行求解計算，本文重點分析水下角反射器遠場條件下的目標強度和散射方向圖，根據(jù)求解的場點聲強，得到相應的目標強度

2.1 二面角反射器散射特性

為驗證直接邊界元法在計算水下角反射器散射聲場的精確性，利用SYSNOISE軟件計算在平面內(nèi)，不同聲波入射角度下二面角反射器(見圖2)的目標強度，并將計算結(jié)果與聲束彈跳法和板塊元法的計算結(jié)果作對比。取二面角反射器邊長為1 m，厚度為0.02 m，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 二面角反射器

圖3 二面角反射器的目標強度

由圖3可知，角反射器多次反射聲波對其散射聲場貢獻很大，因此，計算角反射器散射聲場時不能忽略多次回波反射的作用。

2.2 三面角反射器散射特性

圖4 正方形三面角反射器

圖5 φ=45?時3種三面角反射器目標強度隨q的變化圖

圖6 q =55?時3種三面角反射器的目標強度隨φ的變化圖

圖7 目標強度與頻率的關系

由圖7可以看出，當入射波頻率增大時，角反射器的回波強度先增大后趨于平緩，這也驗證了水下物體目標強度不存在很明顯的頻率效應，尤其在高頻頻段。由于網(wǎng)格劃分精度和計算機硬件條件限制，SYSNOISE存在高頻仿真困難，因此沒有對高頻條件下的目標散射特性進行仿真。

圖8 正方形三面角反射器表面聲壓云紋圖

由圖8可知，由于聲波多次反射的作用，角反射器內(nèi)側(cè)的表面聲壓較大，是產(chǎn)生強回波反射的主要原因。相比傳統(tǒng)聲學軟件，SYSNOISE的仿真結(jié)果具有可視化的優(yōu)點，便于直觀分析目標的聲學特性。

圖9 三種三面角反射器散射方向圖

2.3 八面角反射體散射方向圖

從圖10可以看出，八面角反射體的最大目標強度為17.4 dB，而單個三角形角反射器的最大目標強度為14.6 dB，這說明八面角反射體既能增加回波強度，又能有效增大散射寬度。在雷達領域，八面角反射體常被用于模擬海上目標，用于軍事訓練，在水聲領域，八面角反射體的應用還相對較少。

圖10 八面角反射體

圖11 q =55?時八面角反射體散射方向圖

3 結(jié)論

針對水下角反射器的特點，運用基于邊界元法的SYSNOISE軟件對其水下聲散射特性進行仿真計算。計算了二面角反射器遠場目標強度，通過與聲束彈跳法的計算結(jié)果進行對比，驗證了該方法用于計算水下凹面目標散射聲場的有效性。對正方形角反射器、圓形角反射器、三角形角反射器和八面角反射體的散射聲場進行仿真計算，根據(jù)分析得到以下結(jié)論：

(1) 水下角反射器內(nèi)側(cè)聲波的多次反射對其散射聲場貢獻很大，計算水下角反射器散射聲場時不能忽略聲波多次反射的作用。

(3) 水下角反射器目標強度幾乎不隨頻率變化而變化，尤其在高頻頻段，不存在明顯的頻率效應。

(4) 八面角反射體既能增大反射目標強度又能拓寬散射寬度。

受篇幅所限，本文只對剛性水下角反射器的散射聲場進行了仿真分析，對于彈性角反射器以及影響角反射器散射聲場的因素比如平板厚度、水壓等還需進一步研究。

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Acoustic scattering characteristics of underwater rigid corner reflector

CHEN Xin, LUO Yi

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Hubei, China)

To analyze the acoustic scattering characteristics of underwater corner reflector, a method to calculate scattering acoustic field of concave target is proposed. According to the boundary element method (BEM), the mathematical model for the scattering acoustic field of underwater target is established. The corner reflector model is established by ANSYS software. Then by using acoustic analysis software SYSNOISES, the scattering acoustic field of corner reflector in far field is simulated. The target strength of biplanar corner reflector is calculated. By contrasting calculation results of the beam shooting and bouncing method and the planar elements method, the applicability and precision of this method is proved. By analyzing the scattering characteristics of three different trihedral corner reflectors, the target strength at different angles of incidence, its variation with frequency and scattering directional diagram are obtained. The results show that the target strength of the square corner reflector is the maximum, the scattering width of triangle corner reflector is the maximum, and no obvious frequency effect appears on the target strength of corner reflector. The scattering directional diagram of octahedral corner reflector is calculated. The results show that the corner reflector combination can increase target strength and scattering width.

boundary element method (BEM); corner reflector; scattering acoustic field; target strength

TB566

A

1000-3630(2019)-03-0278-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.03.007

2018-04-10;

2018-05-20

陳鑫(1993－), 男, 湖南邵陽人, 碩士研究生, 研究方向為兵器科學與技術。

羅祎, E-mail: 474450927@qq.com