提升水下角反射器聲反射性能的泡沫塑料夾層方法

羅祎， 王杰亞， 謝濤濤

(海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院， 湖北 武漢 430033)

0 引言

角反射器具有構(gòu)造簡單、回波能力強(qiáng)、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，通常用于模擬地面物體電磁反射特征[1-3]?？梢越梃b雷達(dá)角反射器基本原理，利用多個角反射器在水中模擬艦船聲反射特征，誘騙主動聲納[4-6]。

但常見金屬板角反射器的水聲反射性能并不理想，由于水下金屬結(jié)構(gòu)聲散射具有明顯的彈性特性[7-9]，金屬板角反射器與理想的剛性角反射器相比，其水聲目標(biāo)強(qiáng)度小、散射穩(wěn)定性差，難以應(yīng)用[10]。為此，需要提高水下角反射器的聲反射性能。

平板是構(gòu)成角反射器的基礎(chǔ)，平板的反聲性能決定了角反射器的反聲性能。為了提高角反射器的水聲反射性能，首要的途徑是提高角反射器平板的水聲反射性能。

水下角反射器是一種薄壁浸水凹形結(jié)構(gòu)，在計算其聲散射特性時，不能忽略多次散射波的貢獻(xiàn)[10-13]，聲學(xué)軟件SYSNOISE對目標(biāo)進(jìn)行聲學(xué)仿真時會考慮聲的反射、衍射和折射等行為，便于計算凹面結(jié)構(gòu)散射聲場[14]。

因此，本文從提高構(gòu)成角反射器平板的聲反射性能入手，提出改善水下角反射器聲反射性能方法，通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，探索提升水下角反射器實(shí)用性的技術(shù)途徑。

1 提升水下聲反射性能的方法

1.1 泡沫塑料夾層及其聲反射系數(shù)

為了讓入射聲波盡可能無損耗地反射回去，構(gòu)成角反射器平板的聲反射系數(shù)應(yīng)盡量接近于1，為此應(yīng)使材料和水的特性阻抗盡可能失配。

由于泡沫塑料密度小、聲速低，與水的聲特性阻抗差別大，可以利用水下泡沫塑料作為反聲層。泡沫層采用輕質(zhì)聚氨酯泡沫，考慮到輕質(zhì)泡沫直接放入水中，水的滲透會改變泡沫材料聲阻抗，為了確保泡沫層穩(wěn)定的反聲性能，采用密封結(jié)構(gòu)制成泡沫夾層板，使其不受水的影響。

將厚度1 mm金屬薄板焊接成封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充輕質(zhì)聚氨酯泡沫，密度為30 kg/m3，聚氨酯泡沫層具有一定的耐壓性，為避免水壓較大時變形，設(shè)置一定數(shù)量的加強(qiáng)筋，增強(qiáng)聚氨酯泡沫夾層板的穩(wěn)定性，如圖1所示。

圖1 聚氨酯泡沫夾層板示意圖Fig.1 Schematic diagram of polyurethane foam interlayer

由于外層鋼板很薄，水聲反射系數(shù)很低，幾乎可以當(dāng)作透聲膜[10]，下面分析泡沫夾層板反聲性能。

聲波在輕質(zhì)塑料泡沫中傳播不激起切變波，圖2為聲波通過泡沫夾層的傳播示意圖，h為泡沫夾層厚度，pi、pp分別是入射波和透射波，pr為反射波，θi為入射角，θrw為折射角。設(shè)ρw為水的密度，cw為水中聲速，ρf為泡沫層密度，cf為泡沫層中聲速。

圖2 聲波通過泡沫夾層的傳播示意圖Fig.2 Schematic diagram of propagation of sound wave through foam interlayer

由折射定律可知

(1)

入射波、反射波和透射波可分別表示為

(2)

代入邊界條件，可得泡沫層反射系數(shù)為

(3)

若平面波入射角度不超過全內(nèi)反射的臨界角，P為實(shí)數(shù)，則有

(4)

1.2 金屬薄板的聲反射系數(shù)

當(dāng)平面波入射到薄金屬板上時，會激起薄板彎曲振動和對稱振動。此時聲波通過薄板的傳播示意圖如圖3所示，hb為薄板厚度，pbi、pbt分別是入射波和透射波，pbr為反射波，θbi為入射波與z軸正向的夾角。

圖3 聲波通過薄板的傳播示意圖Fig.3 Schematic diagram of propagation of sound wave through thin plate

彎曲振動阻抗為

(5)

對稱振動阻抗為

(6)

式中，p″為聲壓對稱分量；v″為振動速度相對于平均中線的對稱分量；cnp為對稱波波速。

在薄板上表面(z=0 mm)，振動速度vu為對稱和反對稱振動速度之差，而下表面(z=hb)振動速度vd為二者之和。

(7)

式中：Z0=ρmcw/cosθbi.

經(jīng)計算，當(dāng)薄板的厚度遠(yuǎn)小于其縱波波長的三分之一時，可認(rèn)為聲波的傳播僅由薄板的彎曲振動產(chǎn)生。實(shí)際上，對于任何金屬薄板，在幾乎所有的入射范圍內(nèi)Znp都遠(yuǎn)大于Z0，可采用不考慮縱波的近似公式來計算反射系數(shù)：

(8)

(5) 式代入(8)式，可得

(9)

1.3 反射系數(shù)對比

設(shè)水的密度為1 000 kg/m3，水中聲速為1 480 m/s；鋼的泊松比為0.29，彈性模量為216 GPa，密度為7 800 kg/m3，鋼板厚度為5 mm；泡沫層中聲速為420 m/s，泡沫層厚度為15 mm. 按(4)式和(9)式分別計算泡沫夾層板和金屬板的反射系數(shù)，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 反射系數(shù)隨入射角變化Fig.4 Change reflectance with incident angle

由圖4、圖5可見：1)泡沫夾層反射系數(shù)大且非常穩(wěn)定，在所有給定入射波頻率和入射角(垂直入射為0°)范圍內(nèi)均近似為1；2)薄鋼板的反射系數(shù)較小，隨入射頻率增大而增大，隨入射角度增大而顯著減小。

計算還表明，雖然厚度增大時，鋼板的反射系數(shù)會增大，可采用較厚(大于10 mm)的金屬板制成角反射器，但其反射系數(shù)受入射角和頻率影響較大，且十分笨重，不便于工程應(yīng)用。

由此可見，水中泡沫夾層反射系數(shù)大、性能穩(wěn)定，而且輕便，是較為理想的反聲結(jié)構(gòu)，可以利用其這一優(yōu)點(diǎn)構(gòu)造水聲角反射器。

2 角反射器仿真實(shí)驗(yàn)

利用上述聚氨酯泡沫塑料夾層構(gòu)造水下角反射器，然后利用有限元分析軟件ANSYS和聲學(xué)分析軟件SYSNOISE對其散射聲場進(jìn)行仿真，并與鋼板角反射器對比。仿真流程如圖6所示。

圖6 仿真流程圖Fig.6 Flow chart of simulation

圖7、圖8分別是平面波入射到二面、三面角反射器的示意圖，入射波為幅值為1 Pa的平面波，入射角φ、θi如圖7和圖8所示，兩種角反射器邊長均為l=1 m，薄鋼板角反射器鋼板厚度為5 mm，其他各參數(shù)如前文定義。聲源距離目標(biāo)r=100 m，滿足遠(yuǎn)場條件，場點(diǎn)設(shè)在聲源處(收發(fā)合置)，不計結(jié)構(gòu)阻尼。

圖7 平面波入射到二面角反射器的示意圖Fig.7 Schematic diagram of plane wave incident on biplanar corner reflector

圖8 平面波入射到三面角反射器的示意圖Fig.8 Schematic diagram of plane wave incident on trihedral corner reflector

分別計算5 kHz、10 kHz、15 kHz入射頻率下θi=55°、φ為0～90°時，薄鋼板角反射器及泡沫夾層角反射器目標(biāo)強(qiáng)度TS隨入射角變化情況。

仿真結(jié)果如圖9和圖10所示，其中圖9為二面聚氨酯泡沫夾層角反射器與金屬板角反射器對比，圖12為三面三角形泡沫夾層角反射器與金屬板角反射器對比。

圖9 二面角反射器對比Fig.9 Comparison of simulated target strengths of biplanar foam interlayer and metal plate corner reflectors

圖10 三面角反射器對比Fig.10 Comparison of simulated target strengths of trihedral foam interlayer and metal plate corner reflector

由圖9和圖10可見：1)在絕大部分入射方向上，泡沫塑料夾層角反射器目標(biāo)強(qiáng)度大于同樣邊長的5 mm厚薄鋼板角反射器；2)薄鋼板角反射器的目標(biāo)強(qiáng)度隨入射角度變化起伏明顯，很不穩(wěn)定，不便于使用，而泡沫夾層角反射器目標(biāo)強(qiáng)度隨入射角度變化平緩。

3 消聲水池實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，設(shè)計加工了兩種類型的角反射器：為便于實(shí)驗(yàn)操作，減小實(shí)驗(yàn)對象尺寸重量，薄鋼板二面角反射器及三面三角形角反射器邊長均為0.5 m，鋼板厚度為2 mm；聚氨酯泡沫夾層二面角反射器及三面三角形角反射器，邊長為0.5 m，外層兩側(cè)鋼板厚度為1mm，內(nèi)部泡沫夾層厚度為15 mm.

在消聲水池中對它們的聲散射進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，兩面角反射器如圖11所示，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖12所示。測量聲反射信號需滿足遠(yuǎn)場條件，實(shí)驗(yàn)布放示意圖如圖13所示，計算可知滿足遠(yuǎn)場條件。由于消聲水池池壁及上、下表面依然有弱反射干擾，為更好區(qū)分角反射器反射信號及消聲水池干擾信號，根據(jù)水池及反射器大小，對入射波信號進(jìn)行計算優(yōu)選，結(jié)果如下：采用頻率為15 kHz的連續(xù)脈沖信號，設(shè)定發(fā)射信號脈寬為1 ms，發(fā)射周期為2 s. 每隔3°測量一次，測量不同的聲波入射角φ時角反射器的反射信號。在滿足遠(yuǎn)場及消除干擾等實(shí)驗(yàn)要求的前提下，采用5 kHz、10 kHz頻率脈沖入射信號時，實(shí)驗(yàn)結(jié)論是同樣的。

圖11 二面角反射器Fig.11 Biplanar corner reflector

圖12 水池實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖Fig.12 Scene of trial in pool

圖13 水池實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.13 Schematic diagram of trial in anechoic pool

然后根據(jù)(10)式計算目標(biāo)強(qiáng)度：

(10)

式中：Ir為距反射器中心r處反射聲強(qiáng)；Ii為入射聲強(qiáng)；Ub為目標(biāo)回波信號電壓；Ud為直達(dá)波信號電壓；dc為角反射器距水聽器水平距離；de為發(fā)射換能器距水聽器水平距離。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖14 二面角反射器實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.14 Comparison of experimental target strengths of biplanar foam interlayer and metal plate corner reflectors

圖15 三面角反射器實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.15 Comparison of experimental target strengths of trihedral foam interlayer and metal plate corner reflectors

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比可知：

1)對于二面角反射器，在同樣0.5 m邊長條件下，薄鋼板角反射器目標(biāo)強(qiáng)度較小。在全部0～90°入射方向上，泡沫塑料夾層角反射器目標(biāo)強(qiáng)度均大于薄鋼板角反射器，在入射角度10～80°范圍內(nèi)二者目標(biāo)強(qiáng)度差距更明顯，約為5～10 dB；薄鋼板角反射器目標(biāo)強(qiáng)度隨入射角度改變變化大，穩(wěn)定性差，尤其在入射角度5～25°以及65～85°范圍時目標(biāo)強(qiáng)度變化劇烈，而泡沫塑料夾層角反射器目標(biāo)強(qiáng)度隨入射角度變化波動較小。

2)對于三面角反射器，由于入射聲波反射次數(shù)多于二面角反射器，二者聲反射性能區(qū)別更加顯著。在同樣0.5 m邊長條件下，薄鋼板角反射器目標(biāo)強(qiáng)度很小，在全部0～90°入射方向上，泡沫塑料夾層角反射器的目標(biāo)強(qiáng)度均明顯大于薄鋼板角反射器，在入射方向5～85°上二者目標(biāo)強(qiáng)度差距更明顯，約為5～10 dB；幾乎在所有的入射角度范圍內(nèi)，薄鋼板角反射器目標(biāo)強(qiáng)度均隨入射角度劇烈變化，泡沫塑料夾層角反射器目標(biāo)強(qiáng)度隨入射角度變化明顯平緩。

可見，由于輕質(zhì)泡沫塑料夾層與水之間存在明顯的聲阻抗失配，添加輕質(zhì)泡沫塑料夾層能有效改善角反射器聲反射性能，不僅能提高其目標(biāo)強(qiáng)度，還可以改善其聲反射穩(wěn)定性。尤其對于更常用的三面角反射器，添加輕質(zhì)泡沫塑料夾層后，對于角反射器水聲反射性能改善更加明顯。

實(shí)驗(yàn)中，兩種類型角反射器目標(biāo)強(qiáng)度曲線隨入射角變化均不完全對稱，與常理不符，經(jīng)檢驗(yàn)分析，主要是由于加工的角反射器各個面不完全垂直造成的，這一誤差對實(shí)驗(yàn)結(jié)論無明顯影響。

4 結(jié)論

為改善水下金屬角反射器反聲性能，設(shè)計了一種水下耐壓聚氨酯泡沫夾層，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了水下泡沫夾層角反射器。得出以下主要結(jié)論：

1) 聚氨酯泡沫夾層板水下聲反射系數(shù)穩(wěn)定，在5～20 kHz入射波頻率和0～90°入射角范圍內(nèi)均近似為1.

2) 泡沫夾層可以有效改善角反射器聲散射特性，在同樣邊長下，利用它構(gòu)造的角反射器水聲目標(biāo)強(qiáng)度與聲散射穩(wěn)定性均優(yōu)于金屬板角反射器。

角反射器的使用往往要采用多格的方式，多格角反射器中各反射單元會互相影響，其聲散射頻率及角度等特性將呈現(xiàn)更復(fù)雜的規(guī)律，這些問題還需要進(jìn)一步研究。