水下剛性角反射器散射特性

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(xué)兵器工程學(xué)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(jì)算水下凹面目標(biāo)散射聲場(chǎng)的方法。采用ANSYS軟件構(gòu)建水下角反射器實(shí)體模型，再利用聲學(xué)分析軟件SYSNOISE對(duì)其遠(yuǎn)場(chǎng)散射聲場(chǎng)進(jìn)行仿真。計(jì)算了二面角反射器的目標(biāo)強(qiáng)度，并與聲束彈跳法和板塊元法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的適用性和精確性。對(duì)三面角反射器的散射特性進(jìn)行了分析，得到了不同聲波入射角度下的目標(biāo)強(qiáng)度、目標(biāo)強(qiáng)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(biāo)強(qiáng)度最大，三角形角反射器的散射寬度最大，角反射器目標(biāo)強(qiáng)度不存在明顯的頻率效應(yīng)。計(jì)算了八面角反射體的方向圖，計(jì)算結(jié)果表明角反射器組合可以有效增大目標(biāo)強(qiáng)度和散射寬度。

邊界元法；角反射器；散射聲場(chǎng)；目標(biāo)強(qiáng)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(dāng)聲波從一定角度范圍入射時(shí)具有較大目標(biāo)強(qiáng)度。水下角反射器作為一種無(wú)源聲反射裝置，在民用中可應(yīng)用于標(biāo)記漁網(wǎng)、管道和線纜等水下結(jié)構(gòu)；在軍事中可制成無(wú)源干擾裝置，模擬水雷、潛艇等水下目標(biāo)[1]，對(duì)抗主動(dòng)聲吶；也可制成靶標(biāo)，用于軍事訓(xùn)練。因此對(duì)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(shí)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(biāo)聲散射問題的方法如物理聲學(xué)法、板塊元法[2-3]等并沒有考慮聲波的多次反射，無(wú)法有效計(jì)算凹面體目標(biāo)的散射聲場(chǎng)。陳文劍等[4-5]提出了求解水下凹面體散射聲場(chǎng)的聲束彈跳法，并對(duì)水下角反射器的反向聲散射和角度加工誤差影響進(jìn)行了分析。梁晶晶等[6]對(duì)聲束彈跳法進(jìn)行修正，提出了水下凹面目標(biāo)散射聲場(chǎng)的快速預(yù)估方法，降低了計(jì)算量。聲束彈跳法僅是一種近似的數(shù)值計(jì)算法，且存在計(jì)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(jì)算水下復(fù)雜目標(biāo)散射聲場(chǎng)的方法[7]，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和基于邊界元法的聲學(xué)軟件如SYSNOISE的成熟，解決了邊界元法計(jì)算量大、對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求高的問題。SYSNOISE對(duì)模型進(jìn)行仿真時(shí)會(huì)考慮聲波反射和折射等行為，當(dāng)模型網(wǎng)格滿足最小波長(zhǎng)內(nèi)含6個(gè)單元的要求時(shí)，可確保分析精度。本文采用振動(dòng)-聲學(xué)分析軟件SYSNOISE對(duì)水下角反射器的聲學(xué)特性進(jìn)行仿真計(jì)算。

作為聲吶干擾裝置時(shí)，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(diǎn)，作為目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)的概率較低，難以滿足對(duì)抗的需要。在雷達(dá)領(lǐng)域，常用八面角反射體或十二面角反射體來增大雷達(dá)散射截面[8]。本文對(duì)八面角反射體的水下聲散射特性進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明八面角反射體在增大目標(biāo)強(qiáng)度的同時(shí)，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(shí)質(zhì)是把所研究問題的微分方程變成目標(biāo)表面的邊界積分方程，再利用有限個(gè)積分單元將其離散求解，具有計(jì)算精度高、時(shí)間短等特點(diǎn)。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(jì)算角反射器外部聲場(chǎng)采用直接邊界元法。

根據(jù)波動(dòng)理論，理想流體中的波動(dòng)方程為

在流固邊界上，存在邊界條件：

在無(wú)窮遠(yuǎn)處，波動(dòng)方程滿足索末菲爾德(Sommerfeld)條件[9]：

圖1 邊界元法的幾何關(guān)系

由上述三式可以推導(dǎo)出單頻散射聲場(chǎng)的亥姆霍茲(Helmholtz)方程：

式(4)建立起散射聲場(chǎng)中任一場(chǎng)點(diǎn)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(guān)系，即可求解散射聲場(chǎng)。

結(jié)構(gòu)表面的聲壓、速度和聲強(qiáng)可以通過求解以上方程得到，對(duì)于聲場(chǎng)中任意一點(diǎn)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(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為確保分析精度，SYSNOISE要求最短波長(zhǎng)內(nèi)至少含6個(gè)單元，將數(shù)據(jù)保存為*.cdb文件導(dǎo)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(biāo)100 m，滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，場(chǎng)點(diǎn)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(wú)限理想不動(dòng)流體介質(zhì)中聲場(chǎng)耦合，其聲學(xué)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(shè)置分析頻率為15 kHz，對(duì)目標(biāo)表面聲壓、場(chǎng)點(diǎn)聲壓和聲強(qiáng)等聲學(xué)特性進(jìn)行求解計(jì)算，本文重點(diǎn)分析水下角反射器遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的目標(biāo)強(qiáng)度和散射方向圖，根據(jù)求解的場(chǎng)點(diǎn)聲強(qiáng)，得到相應(yīng)的目標(biāo)強(qiáng)度

2.1 二面角反射器散射特性

為驗(yàn)證直接邊界元法在計(jì)算水下角反射器散射聲場(chǎng)的精確性，利用SYSNOISE軟件計(jì)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(biāo)強(qiáng)度，并將計(jì)算結(jié)果與聲束彈跳法和板塊元法的計(jì)算結(jié)果作對(duì)比。取二面角反射器邊長(zhǎng)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(biāo)強(qiáng)度

由圖3可知，角反射器多次反射聲波對(duì)其散射聲場(chǎng)貢獻(xiàn)很大，因此，計(jì)算角反射器散射聲場(chǎng)時(shí)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(shí)3種三面角反射器目標(biāo)強(qiáng)度隨q的變化圖

圖6 q =55?時(shí)3種三面角反射器的目標(biāo)強(qiáng)度隨φ的變化圖

圖7 目標(biāo)強(qiáng)度與頻率的關(guān)系

由圖7可以看出，當(dāng)入射波頻率增大時(shí)，角反射器的回波強(qiáng)度先增大后趨于平緩，這也驗(yàn)證了水下物體目標(biāo)強(qiáng)度不存在很明顯的頻率效應(yīng)，尤其在高頻頻段。由于網(wǎng)格劃分精度和計(jì)算機(jī)硬件條件限制，SYSNOISE存在高頻仿真困難，因此沒有對(duì)高頻條件下的目標(biāo)散射特性進(jìn)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(qiáng)回波反射的主要原因。相比傳統(tǒng)聲學(xué)軟件，SYSNOISE的仿真結(jié)果具有可視化的優(yōu)點(diǎn)，便于直觀分析目標(biāo)的聲學(xué)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(biāo)強(qiáng)度為17.4 dB，而單個(gè)三角形角反射器的最大目標(biāo)強(qiáng)度為14.6 dB，這說明八面角反射體既能增加回波強(qiáng)度，又能有效增大散射寬度。在雷達(dá)領(lǐng)域，八面角反射體常被用于模擬海上目標(biāo)，用于軍事訓(xùn)練，在水聲領(lǐng)域，八面角反射體的應(yīng)用還相對(duì)較少。

圖10 八面角反射體

圖11 q =55?時(shí)八面角反射體散射方向圖

3 結(jié)論

針對(duì)水下角反射器的特點(diǎn)，運(yùn)用基于邊界元法的SYSNOISE軟件對(duì)其水下聲散射特性進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算了二面角反射器遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)強(qiáng)度，通過與聲束彈跳法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法用于計(jì)算水下凹面目標(biāo)散射聲場(chǎng)的有效性。對(duì)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(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)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(duì)其散射聲場(chǎng)貢獻(xiàn)很大，計(jì)算水下角反射器散射聲場(chǎng)時(shí)不能忽略聲波多次反射的作用。

(3) 水下角反射器目標(biāo)強(qiáng)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(yīng)。

(4) 八面角反射體既能增大反射目標(biāo)強(qiáng)度又能拓寬散射寬度。

受篇幅所限，本文只對(duì)剛性水下角反射器的散射聲場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，對(duì)于彈性角反射器以及影響角反射器散射聲場(chǎng)的因素比如平板厚度、水壓等還需進(jìn)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(yáng)人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)楸骺茖W(xué)與技術(shù)。

羅祎, E-mail: 474450927@qq.com