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        敷設(shè)空腔覆蓋層水下復(fù)雜目標(biāo)的聲散射特性研究

        2023-09-14 01:00:18李靜馬曉川李璇
        聲學(xué)技術(shù) 2023年4期
        關(guān)鍵詞:面元反射系數(shù)覆蓋層

        李靜,馬曉川,李璇

        (1.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所,北京 100190;2.中國(guó)科學(xué)院水下航行器信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

        0 引 言

        目標(biāo)聲散射特性研究是開展水下平臺(tái)隱身設(shè)計(jì)和探測(cè)的基礎(chǔ)支撐,有著廣闊的發(fā)展前景和實(shí)用價(jià)值[1]。為了降低目標(biāo)散射,提高結(jié)構(gòu)隱身性能,水下平臺(tái)表面往往敷設(shè)有吸聲覆蓋層。因此對(duì)敷設(shè)吸聲覆蓋層水下復(fù)雜目標(biāo)的聲散射進(jìn)行預(yù)報(bào)和分析非常重要。

        國(guó)內(nèi)孫陽(yáng)等[2]研究了吸聲覆蓋層的聲學(xué)特性并對(duì)水下單層目標(biāo)的隱身效果進(jìn)行了預(yù)報(bào)。文獻(xiàn)[3-5]中湯渭霖和范軍等組建的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)水下目標(biāo)敷設(shè)覆蓋層的聲特性開展了十幾年的研究,在理論研究、材料研究和試驗(yàn)研究這三個(gè)方面都取得了許多成果。

        目前,水下目標(biāo)聲散射問題的研究方法主要有三類:理論解法、近似方法和數(shù)值解法。理論解法如瑞利(Rayleigh)簡(jiǎn)正級(jí)數(shù)解[6]、積分方程法[7]等,可以從原理上解釋聲散射問題,但是僅限于簡(jiǎn)單幾何形狀目標(biāo),比如球、圓柱等。近似方法如基爾霍夫(Kirchhoff)近似[8]、板塊元方法[9]等,可適用于目標(biāo)趨于復(fù)雜的情況,但是在頻率偏低時(shí)無法獲得準(zhǔn)確結(jié)果。數(shù)值解法如邊界元/有限元方法[10]等,適用范圍非常廣,可以解決大部分情況下的目標(biāo)聲散射問題,但是當(dāng)應(yīng)用于中高頻的大型目標(biāo)時(shí),其對(duì)計(jì)算算力的要求非常高。

        敷設(shè)吸聲覆蓋層的水下平臺(tái)結(jié)構(gòu)往往很大,所以對(duì)其進(jìn)行中高頻聲散射研究選擇利用板塊元方法。板塊元方法以Kirchhoff 近似為基礎(chǔ),通過把目標(biāo)曲面近似為一組平面板塊元,將所有面元的散射聲場(chǎng)疊加近似得到復(fù)雜目標(biāo)的總體散射聲場(chǎng),從而將面積分運(yùn)算轉(zhuǎn)化成代數(shù)運(yùn)算并與目標(biāo)表面聲反射系數(shù)聯(lián)系起來。此后劉成元等[11]將戈登(Gordon)積分引入板塊元方法,解決了板塊元方法在計(jì)算中可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題。針對(duì)潛艇等水下復(fù)雜目標(biāo)的分析研究已經(jīng)有很多,但是通常情況下目標(biāo)表面有無均勻吸聲覆蓋層時(shí)的聲散射特性預(yù)報(bào)的研究較多[12-14],對(duì)敷設(shè)空腔覆蓋層的水下復(fù)雜目標(biāo)散射特性預(yù)報(bào)的研究較少。然而空腔覆蓋層是改善聲學(xué)性能的重要結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[15-16]中的研究證明了空腔覆蓋層可以有效提高結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性,但是由于該結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,使得目前針對(duì)水下復(fù)雜目標(biāo)敷設(shè)空腔覆蓋層的聲散射特性研究較少。

        本文針對(duì)敷設(shè)空腔覆蓋層的水下復(fù)雜目標(biāo)開展聲散射特性仿真研究。以BeTSSi Ⅱ潛艇模型[17]為例,通過對(duì)比敷設(shè)空腔覆蓋層與未敷設(shè)覆蓋層、敷設(shè)等厚均勻覆蓋層時(shí)潛艇目標(biāo)強(qiáng)度方位-頻率譜的差異,討論敷設(shè)空腔覆蓋層對(duì)水下復(fù)雜目標(biāo)的聲散射特性的影響。在數(shù)值仿真計(jì)算的過程中,文中首先利用建模軟件對(duì)潛艇外殼進(jìn)行建模,然后利用分層近似法和傳遞矩陣方法得到敷設(shè)變截面空腔覆蓋層模型的聲反射系數(shù);接著根據(jù)基于Gordon 積分的板塊元方法計(jì)算模型的目標(biāo)強(qiáng)度,并提出了基于光線投射的可見面元判別方法;最后對(duì)不同頻率(1~40 kHz)、不同入射方位角(0°~180°)時(shí)敷設(shè)空腔覆蓋層與未敷設(shè)、敷設(shè)等厚均勻覆蓋層時(shí)的潛艇目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行仿真對(duì)比,具體分析敷設(shè)空腔覆蓋層對(duì)散射特性的影響。本文的工作對(duì)水下復(fù)雜目標(biāo)敷設(shè)空腔覆蓋層的聲散射特性研究進(jìn)行了補(bǔ)充。

        1 板塊元理論

        1.1 遠(yuǎn)場(chǎng)板塊元算法

        在收發(fā)合置并且滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的情況下,由Kirchhoff近似,非剛性表面復(fù)雜目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度可以表示為[18]

        其中:面積分I表達(dá)式為

        式中:S為目標(biāo)外表面;k為入射波的波數(shù);rs為面元到參考點(diǎn)的矢量;r0為收發(fā)點(diǎn)到參考點(diǎn)的單位矢量;n0為面元的單位法向矢量;θ為面元法向矢量與入射波方向矢量的夾角,R(θ)為聲反射系數(shù),對(duì)于剛性表面目標(biāo)R(θ)=1。板塊散射示意圖如圖1所示。

        圖1 板塊散射示意圖Fig.1 Schematic diagram of planar scattering

        計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)強(qiáng)度關(guān)鍵在于計(jì)算面積分I。板塊元方法就是一種加快面積分I計(jì)算速度的方法。該方法先把目標(biāo)表面劃分成許多小曲面,然后利用平面面元代替曲面面元,最后將各個(gè)平面面元的散射聲場(chǎng)矢量求和就可以近似得到目標(biāo)散射聲場(chǎng)。據(jù)此,遠(yuǎn)場(chǎng)板塊元算法的目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)算式可以表示為

        其中:m為劃分的面元的個(gè)數(shù)。

        1.2 板塊元算法的Gordon積分應(yīng)用

        由式(3)可知,板塊元算法的計(jì)算過程包含了大量對(duì)平面面元的積分,要提高計(jì)算效率,將面元積分轉(zhuǎn)換為求和是關(guān)鍵。現(xiàn)在常用的方法主要有傅里葉變換積分算法[19]和Gordon積分算法[20]。由于使用傅里葉積分算法簡(jiǎn)化式(3)時(shí),存在積分分母為0的風(fēng)險(xiǎn),因此這種算法將出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定的問題。然而,將Gordon 積分應(yīng)用至板塊元算法可以成功將面積分簡(jiǎn)化為求和,并且避免了奇異值的出現(xiàn),保證算法的穩(wěn)定性。Gordon積分的公式為

        式中:面元s是N邊形,其頂點(diǎn)分別為a1,…,aN,且a1=aN+1,并對(duì)于1≤n≤N,有面元的n個(gè)邊矢量Δan=an+1-an。根據(jù)洛比達(dá)法則,可得:

        此時(shí)積分有界,該方法具有穩(wěn)定解。對(duì)式(3)中所有的面元積分進(jìn)行Gordon 積分變換后,可得到用于預(yù)報(bào)目標(biāo)強(qiáng)度的基于Gordon 積分的板塊元算法計(jì)算表達(dá)式:

        式中:ρn=(an+1+an)/2為面元第n邊的中點(diǎn)向量。

        1.3 基于光線投射的可見面元判別方法

        由Kirchhoff 近似的兩個(gè)假設(shè)可知,聲波入射時(shí)目標(biāo)表面可以分為亮區(qū)與影區(qū),亮區(qū)對(duì)聲波散射有主要貢獻(xiàn)。因此,利用板塊元算法計(jì)算水下復(fù)雜目標(biāo)聲散射時(shí),只有亮區(qū)面元對(duì)散射有貢獻(xiàn)。在目標(biāo)形狀復(fù)雜時(shí),還需要考慮并去除面元之間相互遮擋對(duì)散射帶來的影響[21]。最后,復(fù)雜目標(biāo)的散射聲場(chǎng)可近似為所有亮區(qū)可見面元散射聲場(chǎng)的矢量和。

        針對(duì)板塊元算法在水下復(fù)雜目標(biāo)聲散射計(jì)算過程中,采用兩兩比較的可見面元判別方法耗時(shí)巨大的問題,本文提出了基于光線投射的可見面元判別方法,可以快速地提供板塊元計(jì)算所需的可見面元?;诠饩€投射的可見面元判別方法主要有兩個(gè)步驟:

        (1) 后向面去除。后向面去除通過考察每個(gè)面元的外法向量與觀察方向的夾角實(shí)現(xiàn),如圖2 所示,向量n為面元的外法向量,r為到觀察方向的向量,當(dāng)向量n和向量r的夾角大于90°時(shí),面元判定為后向面。后向面去除可以消除場(chǎng)景中一半左右的隱藏面。

        圖2 觀察方向與法線夾角示意圖Fig.2 Schematic diagram of the angle between the viewing direction and the normal

        (2) 光線投射消隱。去除后向面之后,仍存在大量的面元,面元間采用兩兩相互進(jìn)行遮擋判別的方法計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[22]中,光線投射算法將繪圖窗口內(nèi)每個(gè)像素的投影線與場(chǎng)景中所有的多邊形求交,如果有交點(diǎn)則使用距離最近的點(diǎn)所屬多邊形的顏色顯示相應(yīng)的像素;如果沒有交點(diǎn),則使用背景色。本文將光線投射算法的思想引入到模型消隱中,實(shí)現(xiàn)對(duì)模型網(wǎng)格劃分遮擋面的消除,基于光線投射的可見面元判別流程圖如圖3所示。

        圖3 基于光線投射的可見面元判別流程圖Fig.3 Flowchart of the visible facet judgment based on ray casting

        觀察點(diǎn)與模型位置關(guān)系示意圖如圖4所示。從觀察點(diǎn)發(fā)射具有一定立體角的射線束,這些射線與模型表面劃分的面元相交。一條由觀察點(diǎn)發(fā)射的射線如果只與一個(gè)面元存在交點(diǎn),則該交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的面元表示為可見面元;如果該射線與多個(gè)面元存在交點(diǎn),則距離最近的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的面元表示為可見面元。所有可見面元的集合,即為觀察點(diǎn)觀察到的模型可見面元。

        圖4 觀察點(diǎn)與模型位置關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of the relationship between the observation point and the model

        假設(shè)模型有m個(gè)面元參與遮擋判別。使用兩兩比較的方法,需要進(jìn)行C2m(約m2/2)次遮擋判別計(jì)算,需進(jìn)行3m2/2次點(diǎn)到平面投影計(jì)算。使用本文提出的可見面元判別方法,根據(jù)發(fā)射聲線密度系數(shù)c的不同,需要進(jìn)行m/c2次點(diǎn)到面投影計(jì)算。在面元數(shù)較大時(shí),此方法可以顯著地減少計(jì)算量。

        選取BeTSSi Ⅱ潛艇模型為研究對(duì)象,利用基于光線投射的可見面元判斷方法對(duì)其網(wǎng)格劃分后的數(shù)值模型進(jìn)行可見面元判別,聲波從不同方位入射時(shí)的判別結(jié)果如圖5所示,根據(jù)結(jié)果可知,此方法很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)可見面元的判別。

        圖5 聲波從不同方位入射時(shí)潛艇的可見面元判別結(jié)果Fig.5 Discrimination results of visible facets of submarine when sound waves are incident from different directions

        1.4 板塊元方法算例校驗(yàn)

        為了檢驗(yàn)板塊元方法的有效性,以典型剛性球?yàn)槔?,分別利用板塊元方法和經(jīng)典解析法進(jìn)行聲散射計(jì)算,并比較兩種方法的計(jì)算結(jié)果。取剛性球的球心作為坐標(biāo)系的原點(diǎn),并取入射平面波的傳播方向?yàn)閤軸,剛性球散射示意圖如圖6所示。

        圖6 剛性球散射示意圖Fig.6 Schematic diagram of rigid sphere scattering

        首先對(duì)半徑a=1 m的剛性球進(jìn)行幾何建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。剛性球網(wǎng)格劃分結(jié)果結(jié)果如圖7所示。

        圖7 剛性球網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.7 Meshing result of rigid sphere

        剛性球的目標(biāo)強(qiáng)度如圖8 所示。由圖8 可知,板塊元方法和解析法計(jì)算得到的目標(biāo)強(qiáng)度值相差很小,并且目標(biāo)強(qiáng)度的大小隨頻率的增大逐漸趨向一致,證明了應(yīng)用Gordon 積分的板塊元算法在高頻時(shí)計(jì)算目標(biāo)強(qiáng)度的有效性。

        圖8 剛性球目標(biāo)強(qiáng)度Fig.8 Target strength of rigid sphere

        2 聲反射系數(shù)理論計(jì)算

        2.1 分層等效理論

        聲反射系數(shù)是反映空腔覆蓋層聲學(xué)特性的基本參數(shù),但是變截面空腔覆蓋層直接計(jì)算存在計(jì)算復(fù)雜度高的問題,因此通常采用分層等效近似的方法,將變截面空腔等效為多個(gè)均勻圓柱空腔[23]。在此基礎(chǔ)上利用彈性波傳播理論,結(jié)合應(yīng)力連續(xù)邊界條件求得等效復(fù)波數(shù),最后采用傳遞矩陣法得到敷設(shè)空腔覆蓋層的目標(biāo)聲反射系數(shù)。

        變截面空腔覆蓋層的空腔分布如圖9所示。根據(jù)周期對(duì)稱性,只需取其中的一個(gè)單元體進(jìn)行聲學(xué)分析??紤]空腔截面大小漸變,采用多個(gè)均勻等效等厚圓柱空腔作為近似。根據(jù)已有研究可知,當(dāng)分層的厚度足夠小時(shí),這種近似方法具有較好的精度。

        圖9 空腔周期分布的覆蓋層及其簡(jiǎn)化示意圖Fig.9 Schematic diagram of the anechoic coating layer with periodic columnar cavities and its simplification

        取分層近似后的1層進(jìn)行分析,其圓柱空腔層示意圖如圖10 所示。該圓柱空腔單元的內(nèi)半徑和外半徑分別為a、b。

        彈性圓柱管柱坐標(biāo)形式的振動(dòng)方程[24]為

        式中:ur是沿r方向的振動(dòng)位移,uz是沿z方向的振動(dòng)位移;λ、μ分別為橡膠的拉米常數(shù)和復(fù)剪切模量。

        考慮到內(nèi)部空腔,內(nèi)管壁可視為自由邊界,外管壁則需滿足法向位移ur和切應(yīng)力σrz為0,σrr表示介質(zhì)內(nèi)正應(yīng)力。因此彈性圓柱管的聲學(xué)邊界條件為

        將振動(dòng)方程求得的含有未知系數(shù)的解代入邊界條件,可以解得軸向等效復(fù)波數(shù):

        其中:

        式中:ε=a/b為孔隙率,ρ為橡膠的密度,kl為縱波波數(shù)。并且可得等效密度ρeq和等效聲速ceq:

        2.2 傳遞矩陣和聲反射系數(shù)

        水下復(fù)雜目標(biāo)如潛艇等多為單層或多層殼體結(jié)構(gòu),因此在計(jì)算聲反射系數(shù)時(shí)常將敷設(shè)覆蓋層的目標(biāo)等效為由多層介質(zhì)組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)[25],前界面為無限大水域,后界面為空氣。平面波入射到多層均勻結(jié)構(gòu),其示意圖如圖11所示。

        圖11 聲波入射多層均勻結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of the acoustic wave incoming into uniform multilayer structure

        傳遞矩陣法[26]是研究多層均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的常用方法。對(duì)于每一層介質(zhì)都可以用一個(gè)傳遞矩陣表示該層相鄰兩側(cè)聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的關(guān)系。若將多層復(fù)合結(jié)構(gòu)視為一個(gè)整體,并采用表示振速分量和應(yīng)力分量vx、vz、σx、σz在第n層的值,則在復(fù)合結(jié)構(gòu)的前后界面各有四個(gè)參數(shù),并通過多層結(jié)構(gòu)的傳遞矩陣連接,表達(dá)式如下:

        式中:傳遞矩陣A是一個(gè)4×4型的矩陣,其矩陣元素與復(fù)合結(jié)構(gòu)各層介質(zhì)的參數(shù)有關(guān),具體取值見文獻(xiàn)[27]。

        當(dāng)入射波以角度θ入射時(shí),R為覆蓋層的反射系數(shù),入射波Pi和反射波Pr表達(dá)式為

        當(dāng)z=0 時(shí),即在復(fù)合結(jié)構(gòu)前界面時(shí),邊界條件為

        當(dāng)z=H時(shí),即在復(fù)合結(jié)構(gòu)的后界面時(shí),近似為自由邊界條件:

        將式(14)和式(15)代入式(13),可以求得反射系數(shù)R。為便于表示,引入?yún)?shù):

        解出的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲反射系數(shù)R可以表示為

        式中:Z0=ρ0c0/cosθ0,Zn=ρncn/cosθn分別為入射波所在介質(zhì)和出射波所在介質(zhì)的法向聲阻抗率。

        3 聲散射特性仿真研究

        3.1 BeTSSi Ⅱ潛艇模型仿真

        選取BeTSSi Ⅱ潛艇模型[17]為仿真對(duì)象。BeTSSi Ⅱ潛艇艇長(zhǎng)為62 m,艇身圍殼直徑為7 m。潛艇模型如圖12所示。按照方位角區(qū)分,0°為艇艏方向,90°為正橫方向,180°為艇艉方向。

        圖12 BeTSSi Ⅱ潛艇模型Fig.12 BeTSSi Ⅱ submarine model

        在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算前,利用ANSYS 軟件對(duì)BeTSSi Ⅱ潛艇進(jìn)行3D建模,網(wǎng)格劃分類型選擇Tri(三角形網(wǎng)格),為了保證計(jì)算精度,面元?jiǎng)澐殖叨扰c計(jì)算頻率之間的關(guān)系應(yīng)滿足d2/(λ·Rc)?1 的條件,其中d為面元?jiǎng)澐殖叨?,λ是波長(zhǎng),Rc是目標(biāo)表面在此面元處的高斯曲率。最后,將潛艇表面劃分為89 768個(gè)三角形面元,提取得到44 886個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)。ANSYS潛艇模型網(wǎng)格劃分如圖13所示。

        圖13 潛艇模型的ANSYS網(wǎng)格劃分Fig.13 Submarine model meshing by ANSYS

        3.2 聲反射系數(shù)的數(shù)值計(jì)算

        為了計(jì)算潛艇敷設(shè)覆蓋層時(shí)的聲反射系數(shù),對(duì)如圖14所示的由覆蓋層和鋼板組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲學(xué)特性研究。復(fù)合結(jié)構(gòu)兩側(cè)分別是水介質(zhì)和空氣介質(zhì)。覆蓋層的厚度為5 cm,鋼板的厚度為2 cm。表1給出了此復(fù)合結(jié)構(gòu)相關(guān)材料的參數(shù)。

        表1 復(fù)合結(jié)構(gòu)各層材料參數(shù)Table 1 Material parameters of each layer of the composite structure

        圖14 覆蓋層-鋼板復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.14 Schematic diagram of composite sound-absorbing structure composed of anechoic coating layer and steel layer

        采用的空腔覆蓋層的結(jié)構(gòu)如圖15 所示。空腔覆蓋層結(jié)構(gòu)兩側(cè)分別是均勻?qū)?,中間部分為含圓臺(tái)型空腔的材料層,腔體左端面直徑為5 mm,右端面直徑為15 mm,計(jì)算的吸聲結(jié)構(gòu)單元截面是邊長(zhǎng)為18 mm的正方形??涨桓采w層的幾何尺寸具體如表2所示。

        表2 空腔覆蓋層幾何尺寸Table 2 Geometric parameters of the cavity structural cover layer

        圖15 空腔覆蓋層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.15 Schematic diagram of cavity structural anechoic coating layer

        在計(jì)算敷設(shè)空腔覆蓋層目標(biāo)的聲反射系數(shù)時(shí),根據(jù)分層近似法,分層數(shù)目越多,計(jì)算結(jié)果的誤差越小。對(duì)單層殼體敷設(shè)空腔覆蓋層分為5、10、15和20 層分別進(jìn)行計(jì)算。聲波垂直入射和斜入射時(shí)的計(jì)算結(jié)果如圖16所示。

        圖16 空腔覆蓋層分層層數(shù)不同時(shí)聲反射系數(shù)近似計(jì)算Fig.16 Approximate calculation of acoustic reflection coefficient of the cavity structural anechoic coating layer with different numbers of layers

        根據(jù)圖16中的仿真結(jié)果可知,層數(shù)為5時(shí)的聲反射系數(shù)曲線有較大偏差,層數(shù)為10、15和20三種情況下的聲反射系數(shù)曲線幾乎完全重合。這說明分10 層進(jìn)行計(jì)算時(shí)結(jié)果已經(jīng)較好。因此選取層數(shù)10對(duì)空腔覆蓋層進(jìn)行近似。敷設(shè)空腔覆蓋層與未敷設(shè)覆蓋層、敷設(shè)等厚均勻覆蓋層時(shí)復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲反射系數(shù)仿真結(jié)果如圖17~20所示。

        圖17 未敷設(shè)覆蓋層時(shí)復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲反射系數(shù)云圖Fig.17 Acoustic reflection coefficient nephogram of the composite structure without anechoic coating layer

        圖18 敷設(shè)均勻覆蓋層的復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲反射系數(shù)云圖Fig.18 Acoustic reflection coefficient nephogram of the composite structures with uniform anechoic coating layer

        圖19 敷設(shè)空腔覆蓋層時(shí)復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲反射系數(shù)云圖Fig.19 Acoustic reflection coefficient nephogram of the composite structure with cavity structural anechoic coating layer

        圖20 聲波垂直入射時(shí)不同覆蓋層的復(fù)合結(jié)構(gòu)聲反射系數(shù)頻響曲線Fig.20 Frequency response curves of acoustic reflection coefficient of the composite structure with different anechoic coating layers under normal incidence of acoustic wave

        由上述仿真結(jié)果可知:未敷設(shè)覆蓋層時(shí)潛艇模型的聲反射系數(shù)接近于1。在敷設(shè)覆蓋層后,復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲反射系數(shù)減小,在高頻時(shí)尤其明顯。敷設(shè)空腔覆蓋層時(shí)與敷設(shè)等厚均勻覆蓋層時(shí)相比,聲反射系數(shù)曲線包絡(luò)的第一谷值頻率降低、頻帶變窄,第一峰值變大。因此,在頻率較低時(shí)敷設(shè)空腔覆蓋層的吸聲效果更好。隨著頻率的增大,兩種結(jié)構(gòu)的聲反射系數(shù)趨于一個(gè)相同的穩(wěn)定值,復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲反射系數(shù)與覆蓋層的結(jié)構(gòu)沒有明顯關(guān)系。

        3.3 潛艇模型聲散射特性預(yù)報(bào)及分析

        本節(jié)在潛艇幾何建模、網(wǎng)格劃分和可見面元判別的基礎(chǔ)上,結(jié)合計(jì)算得到的敷設(shè)覆蓋層后復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲反射系數(shù),利用基于Gordon 積分的板塊元方法分別計(jì)算敷設(shè)空腔覆蓋層以及未敷設(shè)覆蓋層、敷設(shè)均勻覆蓋層時(shí)潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度。為了分析聲波頻率及入射方位角對(duì)敷設(shè)空腔覆蓋層的BeTSSi Ⅱ潛艇模型聲散射特性的影響,仿真聲波以頻率1~40 kHz、入射方位角0°~180°入射到上述三種情況下的潛艇目標(biāo),得到潛艇目標(biāo)強(qiáng)度方位-頻率譜圖。結(jié)果如圖21~23所示。

        圖21 未敷設(shè)覆蓋層時(shí)潛艇目標(biāo)強(qiáng)度方位-頻率譜Fig.21 Azimuth-frequency spectrum of target strength of submarine without anechoic coating layer

        由圖21 可知,BeTSSi Ⅱ潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度隨方位角的變化規(guī)律是正橫方向附近目標(biāo)強(qiáng)度值最大,艇艏方向和艇艉方向附近值目標(biāo)強(qiáng)度比較小,并且在100°附近出現(xiàn)了明顯的峰值。當(dāng)潛艇的方位發(fā)生變化時(shí),各部位對(duì)聲散射的貢獻(xiàn)發(fā)生變化,這使得潛艇目標(biāo)強(qiáng)度隨方位發(fā)生變化。對(duì)此,可以解釋如下:在100°附近潛艇的艉部起到了較大的貢獻(xiàn);在艇艏和艇艉方向附近,潛艇散射截面較小,目標(biāo)強(qiáng)度較??;在正橫方向附近,潛艇散射截面較大,目標(biāo)強(qiáng)度較大。

        對(duì)比圖22、23 與圖21 可知,敷設(shè)覆蓋層可以降低目標(biāo)強(qiáng)度,但是不同頻率下效果不同。由于在正橫方向目標(biāo)散射截面比較大,目標(biāo)強(qiáng)度也比較大,因此進(jìn)一步研究正橫位置的目標(biāo)強(qiáng)度可以更好地分析潛艇目標(biāo)聲散射的頻率特性。敷設(shè)不同覆蓋層潛艇正橫位置目標(biāo)強(qiáng)度頻率響應(yīng)如圖24所示。

        圖22 敷設(shè)均勻覆蓋層時(shí)潛艇目標(biāo)強(qiáng)度方位-頻率譜Fig.22 Azimuth-frequency spectrum of target strength of submarine with uniform anechoic coating layer

        圖23 敷設(shè)空腔覆蓋層時(shí)潛艇目標(biāo)強(qiáng)度方位-頻率譜Fig.23 Azimuth-frequency spectrum of target strength of submarine with cavity structural anechoic coating layer

        圖24 敷設(shè)不同覆蓋層的潛艇正橫位置目標(biāo)強(qiáng)度的頻率響應(yīng)曲線Fig.24 Frequency response curves of target strength in abeam position of the submarine with different anechoic coating layers

        通過比較分析敷設(shè)空腔覆蓋層和敷設(shè)均勻覆蓋層兩種不同情況下潛艇正橫位置附近目標(biāo)強(qiáng)度值可以看出,選取本文給出的覆蓋層結(jié)構(gòu)和參數(shù)的,在頻率1 kHz附近敷設(shè)空腔覆蓋層時(shí)正橫位置目標(biāo)強(qiáng)度比敷設(shè)等厚均勻覆蓋層時(shí)更小。這表明在頻率較低時(shí)敷設(shè)空腔覆蓋層的吸聲效果較好。在2~23 kHz頻段內(nèi),兩種情況下潛艇正橫位置的目標(biāo)強(qiáng)度起伏變化,但總體上敷設(shè)均勻覆蓋層時(shí)的正橫位置目標(biāo)強(qiáng)度較小。當(dāng)頻率大于23 kHz,敷設(shè)覆蓋層時(shí)的正橫位置目標(biāo)強(qiáng)度相比未敷設(shè)覆蓋層時(shí)降低了約10~12 dB,并且敷設(shè)空腔覆蓋層時(shí)的正橫位置目標(biāo)強(qiáng)度相比敷設(shè)等厚均勻覆蓋層時(shí)較小。綜上可知,在頻率較低時(shí)敷設(shè)空腔覆蓋層有助于進(jìn)一步減小目標(biāo)強(qiáng)度,隨著頻率的增大敷設(shè)空腔覆蓋層的吸聲性能與敷設(shè)等厚均勻覆蓋層的吸聲性能起伏變化,逐漸趨于一致。

        4 結(jié) 論

        本文利用基于Gordon 積分的板塊元方法對(duì)敷設(shè)空腔覆蓋層的水下復(fù)雜目標(biāo)進(jìn)行了聲散射特性研究,并提出了基于光線投射的可見面元判別方法。在此基礎(chǔ)上,以BeTSSi Ⅱ潛艇為例,通過對(duì)比敷設(shè)空腔覆蓋層與未敷設(shè)覆蓋層、敷設(shè)等厚均勻覆蓋層時(shí)的目標(biāo)強(qiáng)度方位角-頻率譜的差異,討論了敷設(shè)空腔覆蓋層對(duì)聲散射特性的影響。本文得出如下結(jié)論:(1)本文提出的基于光線投射的可見面元判別方法在面元數(shù)較大時(shí)可以顯著地減小計(jì)算量,可以快速有效地提供板塊元方法所需的可見面元。(2)基于Gordon 積分的板塊元方法對(duì)BeTSSi Ⅱ潛艇的預(yù)報(bào)結(jié)果能夠很好地反映其目標(biāo)強(qiáng)度的特征及其變化規(guī)律,具有穩(wěn)定性和高效性。(3)潛艇敷設(shè)覆蓋層可以有效降低目標(biāo)強(qiáng)度,與敷設(shè)等厚均勻覆蓋層時(shí)相比,復(fù)合結(jié)構(gòu)聲反射系數(shù)曲線的第一谷值頻率降低,在頻率較低時(shí)敷設(shè)空腔覆蓋層的吸聲效果更好,可以進(jìn)一步減小目標(biāo)強(qiáng)度值,但是隨著頻率的增大時(shí),敷設(shè)空腔覆蓋層的吸聲性能逐漸與敷設(shè)等厚均勻覆蓋層時(shí)趨于一致。

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