徐盛瀛 劉雨?yáng)|

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108）

隨著魚雷目標(biāo)識(shí)別和反對(duì)抗技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于聲誘餌系統(tǒng)的性能要求也日益增高。采用實(shí)時(shí)收發(fā)技術(shù)，即邊收邊發(fā)技術(shù)可以有效減少轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的時(shí)延，提高聲誘餌系統(tǒng)的模擬逼真度。所謂邊收邊發(fā)技術(shù)，是指聲誘餌系統(tǒng)在發(fā)射模擬己方艦艇輻射噪聲以及魚雷主動(dòng)尋的信號(hào)模擬回波的同時(shí)，可以不間斷地對(duì)魚雷主動(dòng)尋的信號(hào)或輻射噪聲進(jìn)行檢測(cè)和估計(jì)[1]。實(shí)現(xiàn)此技術(shù)的難點(diǎn)在于如何減小聲誘餌發(fā)射端對(duì)于接收端的干擾，即如何增大聲誘餌發(fā)射端和接收端的聲隔離度。

聲隔離度的定義為聲學(xué)系統(tǒng)中的接收端信號(hào)與發(fā)射端信號(hào)的差值[2]。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，增大隔離度的主要方式為增加發(fā)射端與接收端距離的空間隔離、設(shè)計(jì)利用接收和發(fā)射換能器的指向性隔離、利用聲障板結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離以及發(fā)射信號(hào)的自適應(yīng)抵消等[3]。此外，隨著對(duì)吸聲材料的深入研究，也可以考慮采用在聲誘餌發(fā)射端或接收端敷設(shè)吸聲材料的方式進(jìn)行隔離度的改善。

盧笛[4]利用非軸對(duì)稱激勵(lì)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)聲輻射或聲散射有限元數(shù)值分析方法[5]，建立了數(shù)值計(jì)算模型。由于簡(jiǎn)化后的聲誘餌模型具有二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此本文在此基礎(chǔ)上，利用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)耦合軟件建立了簡(jiǎn)化聲誘餌隔離度二維軸對(duì)稱數(shù)值計(jì)算模型，主要對(duì)發(fā)射端與接收端的空間衰減、在發(fā)射端或接收端敷設(shè)吸聲材料以及聲誘餌內(nèi)部存在艙壁板結(jié)構(gòu)等情況下，對(duì)聲誘餌系統(tǒng)隔離度的影響進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

1 數(shù)值仿真模型

1.1 球形聲源數(shù)值計(jì)算模型

由于聲誘餌系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)可近似等效為球面波，因此首先建立球形聲源的數(shù)值計(jì)算模型。均勻球面波聲場(chǎng)中任意一點(diǎn)聲壓與振源表面振速的關(guān)系為[6]

利用式（1），計(jì)算半徑為0.05 m、表面聲壓為1 Pa的球形聲源聲場(chǎng)，結(jié)果如圖1所示，圖中的扇形區(qū)域?yàn)榫嚯x聲源中心處3 m的波陣面。分別計(jì)算距離聲源中心1 m、2 m和3 m處的聲壓級(jí)，結(jié)果如表1所示，數(shù)據(jù)符合球面波衰減規(guī)律。

圖1 球形聲源聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

表1 球形聲源聲場(chǎng)聲壓級(jí)計(jì)算結(jié)果

1.2 簡(jiǎn)化聲誘餌二維軸對(duì)稱數(shù)值計(jì)算模型

依據(jù)文獻(xiàn)[4]中的方法，建立簡(jiǎn)化聲誘餌模型的二維軸對(duì)稱數(shù)值計(jì)算模型。模型示意圖如2所示，聲誘餌總長(zhǎng)度為3 m，殼體厚度10 mm，材料為鋁。發(fā)射換能器等效的球形聲源位于聲誘餌尾部正下方，為一半徑0.05 m的小球，表面聲壓大小為1 Pa。計(jì)算頻率為10 kHz，聲誘餌系統(tǒng)的接收端位于聲誘餌模型頭部。

圖2 簡(jiǎn)化聲誘餌模型示意圖

首先計(jì)算聲誘餌系統(tǒng)發(fā)射端與接收端的空間衰減產(chǎn)生的隔離度。計(jì)算發(fā)射換能器分別距離聲誘餌尾部0.1 m、0.5 m和1 m，即聲誘餌系統(tǒng)發(fā)射端與接收端分別距離3.1 m、3.5 m和4 m時(shí)，聲誘餌接收端的聲壓級(jí)，結(jié)果如表2所示。

表2 收發(fā)端距變化時(shí)接收端聲壓級(jí)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，由于聲誘餌受到球面波激勵(lì)，殼體產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)使其表面處的聲壓級(jí)大于無(wú)聲誘餌存在時(shí)該點(diǎn)的聲壓級(jí)；隨著發(fā)射換能器與聲誘餌尾部距離的增大，聲波的空間衰減逐漸增大，接收端聲壓級(jí)逐漸減小。

計(jì)算在聲誘餌表面敷設(shè)吸聲材料時(shí)對(duì)接收端聲壓級(jí)的影響，吸聲材料的敷設(shè)示意圖如圖3所示。分別計(jì)算發(fā)射換能器與聲誘餌尾部距離0.1 m時(shí)，僅在聲誘餌頭部、尾部及頭尾部均敷設(shè)吸聲材料三種情況下，接收端的聲壓級(jí)大小，敷設(shè)吸聲材料的厚度為10 mm，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

對(duì)比表2和表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，在聲誘餌表面敷設(shè)吸聲材料可以增大聲誘餌的隔離度；僅在聲誘餌頭部敷設(shè)吸聲材料的聲隔離效果比僅在尾部敷設(shè)時(shí)效果明顯；同時(shí)敷設(shè)的聲隔離效果比單獨(dú)敷設(shè)的效果更明顯。

圖3 聲誘餌模型敷設(shè)吸聲材料示意圖

表3 敷設(shè)吸聲材料時(shí)接收端聲壓級(jí)計(jì)算結(jié)果

接下來(lái)計(jì)算在聲誘餌內(nèi)部增加艙壁板時(shí)對(duì)于聲誘餌隔離度的影響。艙壁板厚度為10 mm，與聲誘餌殼體厚度相同，計(jì)算在聲誘餌內(nèi)部分別增加一個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)艙壁板時(shí)聲誘餌的隔離度，內(nèi)部增加艙壁板時(shí)的聲誘餌示意圖及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4和表4。

圖4 聲誘餌內(nèi)部加艙壁板示意圖

表4 內(nèi)部加艙壁板時(shí)接收端聲壓級(jí)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)僅增加一個(gè)艙壁板時(shí)，由于艙壁板的振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致聲誘餌接收端的聲壓級(jí)比無(wú)艙壁板時(shí)略有增加，但隨著艙壁板數(shù)量的增加，球面波激勵(lì)的負(fù)載逐漸增大，會(huì)使聲誘餌接收端的聲壓級(jí)逐漸減小。

2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)簡(jiǎn)化聲誘餌模型隔離度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。選取未敷設(shè)吸聲材料、內(nèi)部無(wú)艙壁板、發(fā)射換能器距離聲誘餌尾部0.1 m時(shí)，聲誘餌接收端聲壓級(jí)作為參考值SPLref，計(jì)算其他情況下的聲誘餌接收端聲壓級(jí)SPL與SPLref的差值Δ，即

由式（2）可知，Δ越小，聲誘餌系統(tǒng)的隔離度越大；當(dāng)Δ＜0時(shí)，聲誘餌系統(tǒng)的隔離度得到改善，當(dāng)Δ≥0，聲誘餌系統(tǒng)的隔離度沒(méi)有改善。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 不同情況下聲誘餌接收端聲壓級(jí)對(duì)比

根據(jù)表5的計(jì)算結(jié)果，可以直觀地看出，隨著發(fā)射換能器與聲誘餌尾部距離的逐漸增大，Δ越來(lái)越小，即聲隔離度越來(lái)越大；與單獨(dú)敷設(shè)相比，同時(shí)在聲誘餌頭部和尾部敷設(shè)吸聲材料時(shí)的Δ更小，聲隔離效果更好；僅在聲誘餌內(nèi)部增加一個(gè)艙壁板時(shí)，Δ＞0，即聲誘餌隔離度沒(méi)有改善，但隨著艙壁板數(shù)量的增加，Δ逐漸減小，聲隔離度增加并改善。

3 結(jié)論

本文利用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)耦合軟件建立了簡(jiǎn)化聲誘餌隔離度二維軸對(duì)稱數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算頻率f=10 kHz時(shí)，在三種情況下對(duì)聲誘餌系統(tǒng)的隔離度進(jìn)行了計(jì)算。得到結(jié)論：

（1）隨著發(fā)射換能器與聲誘餌間距離的增大，聲波的空間衰減增大，聲誘餌系統(tǒng)的隔離度會(huì)增加；

（2）在聲誘餌表面敷設(shè)吸聲材料可以增加聲誘餌系統(tǒng)的隔離度，在聲誘餌頭部敷設(shè)比在尾部敷設(shè)效果明顯，頭部和尾部同時(shí)敷設(shè)比單獨(dú)敷設(shè)的效果明顯；

（3）當(dāng)聲誘餌系統(tǒng)內(nèi)部存在數(shù)量大于1的艙壁板時(shí)，可以增大隔離度，且隨著艙壁板數(shù)量的增加，隔離度也增大。