海底掩埋體上地震波衰減規(guī)律研究

趙宏劍，張 健，趙 爽，王顯強(qiáng)

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

水雷作為一種性價(jià)比比較高的水中武器，自問(wèn)世以來(lái)受到了各國(guó)海軍的重視，并取得了相當(dāng)卓越的戰(zhàn)績(jī)[1]，若將水雷掩埋于海底沉積物以下，可極大地提高其隱蔽性，使獵雷聲吶不易發(fā)現(xiàn)[2]。80年代出現(xiàn)了自掩埋水雷，可利用自掩埋裝置，將自身全埋于水下泥沙或部分埋于水下巖石中，極大提高了其隱藏能力。水雷上負(fù)責(zé)接收艦船信號(hào)的裝置為水雷引信，艦船信號(hào)穿過(guò)海水與海底沉積物到達(dá)水雷引信的過(guò)程中，能量損失較大，失真度較高；若其通過(guò)地震波傳播，則能量損失小，且抗干擾能力強(qiáng)，適合遠(yuǎn)距離傳播[3]；因此，有必要對(duì)掩埋水雷上地震波的衰減規(guī)律進(jìn)行研究，從而為未來(lái)我國(guó)掩埋水雷武器的發(fā)展提供相關(guān)的理論依據(jù)。

本文主要利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA,對(duì)三維分層海洋環(huán)境下傳播的地震波進(jìn)行仿真分析，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到掩埋水雷上地震波的衰減規(guī)律。

1 目標(biāo)信號(hào)點(diǎn)聲源模型的建立

艦船地震波輻射噪聲的頻率帶寬范圍較大，既含有高頻噪聲，又含有低頻噪聲。因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境噪聲多為高頻噪聲，所以對(duì)艦船輻射產(chǎn)生的高頻噪聲干擾較大，對(duì)低頻噪聲產(chǎn)生的干擾較小。低頻噪聲的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，傳播距離較遠(yuǎn)，可利用低頻噪聲對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)與識(shí)別，因此本文采用主頻為10Hz的低頻噪聲作為聲源。

艦船輻射噪聲可近似地看作瞬態(tài)震源，瞬態(tài)震源可看作是圍繞一個(gè)固定頻率，并且包含一定頻率范圍的脈沖信號(hào)[4]。作為瞬態(tài)震源的地震子波包括雷克子波、高斯一階子波、余弦子波，對(duì)三種地震子波的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 不同地震子波震源信號(hào)的對(duì)比

由表1可以看出，相對(duì)于高斯一階子波和余弦子波而言，雷克子波更適合作為瞬態(tài)震源，雷克子波的表達(dá)式為

F1(t)=D[1-2(πf)2(t-t0)2]e-(πf)2(t-t0)

(1)

式中：D為幅值；f為雷克子波中心頻率；t0為時(shí)移；t為時(shí)間。

圖1為主頻10Hz的低頻雷克子波的時(shí)域圖。圖2為雷克子波的頻譜圖。

圖1 雷克子波時(shí)域圖

圖2 雷克子波頻譜圖

由圖1可知，雷克子波的相位為零。由圖2可知，當(dāng)頻率在0～10Hz范圍內(nèi)，雷克子波幅值增大；當(dāng)頻率大于10Hz時(shí)，幅值快速減小，50Hz后趨于穩(wěn)定。

2 地震波傳播模型的建立

波動(dòng)方程的一般形式為

(2)

式中：ρ11、ρ12、ρ22為質(zhì)量系數(shù)；u、U為位移向量；z、ε為體應(yīng)變；A和N與彈性波理論中的拉梅系數(shù)相對(duì)應(yīng)(A=vE/((1+v)(1-2v))，N=E/2/(1+v)，E為楊氏模量，v為泊松比)；Q反應(yīng)了固體與流體體積變化之間的耦合性質(zhì)。

(3)

式中P=A+2N。式(3)即為縱波方程。

同理對(duì)式(2)方程兩邊取旋度，可得

(4)

式(4)即為橫波方程。

當(dāng)海水較淺和頻率較小時(shí)，可利用瑞雷方程計(jì)算海底界面參數(shù)，瑞雷波是一種傳播于兩種介質(zhì)交界處附近的偏振波，Scholte波的波速與瑞雷波的波速相似，其方程表達(dá)式為

(5)

式中：cs為海底介質(zhì)中縱波的波速；cp為海底介質(zhì)中橫波的波速；c為海水中的聲速；其他參數(shù)如圖3所示。

圖3 海洋模型及其參數(shù)

3 地震波傳播有限元模型的建立

針對(duì)上文提出的海洋模型，利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立對(duì)應(yīng)的幾何模型，由于海洋及海底介質(zhì)可被認(rèn)為是無(wú)限大，且具有對(duì)稱性[5]。為使仿真計(jì)算的結(jié)果更為直觀與精確，建立四分之一海洋模型，長(zhǎng)、寬、高分別為100m、100m、20m，上部為海水，下部為沙土，海水深度16m，沙土厚度4m；海底掩埋體為邊長(zhǎng)1m的正六面體，材質(zhì)為鋼，掩埋深度為1m，掩埋位置位于圖4中A點(diǎn)正下方17m處。為避免反射波對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生干擾，在海水和沙土邊界處，模型的底面均添加無(wú)反射邊界條件。海水與沙土交界面、沙土與海底掩埋體交界面均采用面與面自然接觸。海水與沙土的有限元網(wǎng)格劃分如圖4所示。海底掩埋體的有限元網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖4 海水與沙土有限元模型

圖5 海底掩埋體有限元模型

因?yàn)楸疚牡闹饕芯繉?duì)象為海底掩埋體，因此需要對(duì)海底掩埋體網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，采用0.02m×0.02m×0.02m的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，海水及沙土部分則采用粗大網(wǎng)格進(jìn)行劃分。為準(zhǔn)確描述力的傳播特性，材料模型可采用EOS_GRUNEISEN，計(jì)算模型全部采用3DSolid164六面體實(shí)體單元。

4 仿真與結(jié)果分析

點(diǎn)聲源作用在海面78ms后，艦船地震波傳播至海底掩埋體處，掩埋體表面的應(yīng)力逐漸開(kāi)始發(fā)生變化，在掩埋體表面逐漸產(chǎn)生縱波、橫波及Scholte波，如圖6所示。

圖6 掩埋體表面?zhèn)鞑ゲㄐ?/p>

由圖6可看到,傳播于海底掩埋體表面的這三種波，三種波的波速不同，縱波的波速最快，橫波其次，Scholte波的波速最慢。

為分析海底掩埋體上艦船地震波的傳播規(guī)律，在海底掩埋體表面取點(diǎn)進(jìn)行研究，取點(diǎn)位置如圖7所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)位置

其中，點(diǎn)A、B、C，每?jī)牲c(diǎn)之間間隔約為0.236m，三點(diǎn)均位于上表面對(duì)角線之上，點(diǎn)A位于上表面的正中心。點(diǎn)D、E、F，每?jī)牲c(diǎn)之間間隔約0.2m，三點(diǎn)連線垂直于水平方向。

圖8為點(diǎn)A、B、C濾波前與濾波后水平方向和垂直方向的時(shí)間-振幅曲線，各分圖上部分為水平方向曲線，下部分為垂直方向曲線。由圖8可以看出，在海底掩埋體上表面，縱波振幅最大，橫波次之，Scholte波振幅最??；縱波、橫波、Scholte波在水平方向的振幅大于垂直方向的振幅；水平方向上，隨著距離上表面正中心越來(lái)越遠(yuǎn)，縱波、橫波、Scholte波的振幅越來(lái)越小，其中縱波衰減最為明顯；垂直方向上，三種波振幅的變化不大。

圖9為點(diǎn)D、E、F濾波前與濾波后水平方向和垂直方向的時(shí)間-振幅曲線，各分圖上部分為水平方向曲線，下部分為垂直方向曲線。由圖9可以看出，在海底掩埋體的前表面，縱波振幅最大，橫波次之，Scholte波振幅最??；縱波、橫波、Scholte波在水平方向的振幅要大于在垂直方向的振幅；水平方向上，點(diǎn)D處縱波振幅大于點(diǎn)E、F處縱波振幅，點(diǎn)D處橫波與Scholte波振幅略大于點(diǎn)E、F處橫波與Scholte波振幅，但相差不大。垂直方向上，點(diǎn)D處縱波振幅也大于點(diǎn)E、F處縱波振幅，點(diǎn)D處橫波與Scholte波振幅略大于點(diǎn)E、F處橫波與Scholte波振幅，但相差不大。

將圖8b與圖9b進(jìn)行對(duì)比可知，在水平方向上，點(diǎn)A處縱波、橫波與Scholte波的振幅要大于點(diǎn)D處縱波、橫波與Scholte波的振幅；在垂直方向上，點(diǎn)A處三種波的振幅與點(diǎn)D處三種波的振幅相差不大。

圖8 掩埋體上表面測(cè)點(diǎn)的時(shí)間-振幅曲線

圖9 掩埋體前表面測(cè)點(diǎn)的時(shí)間-振幅曲線

5 傳播規(guī)律實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為證明仿真計(jì)算結(jié)果的正確性，設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證：將一個(gè)質(zhì)量約為120kg的鋼板懸浮于水面之上，用一個(gè)質(zhì)量約60kg的鋼球?qū)ζ溥M(jìn)行敲擊，以此來(lái)模擬點(diǎn)聲源產(chǎn)生的地震波信號(hào)；將掩埋體埋于水下沙土1m深的位置，利用三軸振動(dòng)傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收，利用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，用LabVIEW與Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本次實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行兩組，分別在掩埋體上表面A點(diǎn)與前表面D點(diǎn)各進(jìn)行一次。圖10為掩埋體上表面A點(diǎn)和前表面D點(diǎn)濾波前的時(shí)間-振幅曲線。

圖10 上表面A點(diǎn)和前表面D點(diǎn)濾波前的時(shí)間-振幅曲線

由于本次實(shí)驗(yàn)是在自然環(huán)境下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地周圍會(huì)有噪聲，影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，因此需要對(duì)圖10中的曲線進(jìn)行濾波處理。濾波后的結(jié)果如圖11所示。

將圖11a與圖11b對(duì)比可知，在掩埋體上表面A點(diǎn)，無(wú)論在水平方向上還是在垂直方向上縱波、橫波、Scholte波的振幅均要比前表面D點(diǎn)的振幅大，且縱波振幅最大，橫波次之，Scholte波振幅最??；速度上縱波波速最快，橫波次之，Scholte波波速最慢。由此可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果相吻合。

圖11 上表面A點(diǎn)和前表面D點(diǎn)濾波后的時(shí)間-振幅曲線

6 結(jié)論

(1)艦船地震波在海底掩埋體上傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生縱波、橫波與Scholte波，且縱波波速最快，橫波次之，Scholte波波速最慢。

(2)在掩埋體的上表面，水平方向上，距離中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，三種波振幅越小；垂直方向上振幅變化不大。在掩埋體前表面，縱波衰減明顯，橫波與Scholte波振幅變化不大。測(cè)點(diǎn)位于上表面時(shí)，三種波振幅要大于測(cè)點(diǎn)位于前表面時(shí)三種波的振幅。