開式呼吸蛙人專用氧氣瓶聲散射特性

蛙人根據攜帶呼吸器的不同分為閉式呼吸和開式呼吸兩種，氧氣瓶是開式呼吸蛙人進行水下偵察和執(zhí)行特殊任務所必須攜帶的裝備之一，也是對蛙人回波強度產生影響的主要散射體.Donskoy等經過大量實驗研究，發(fā)現呼吸調節(jié)器的高、低壓閥是蛙人水下呼吸輻射聲信號主要來源.Hollett等在發(fā)射信號為100 kHz 時，得出的結論是攜帶開放式呼吸器的蛙人目標強度比同等條件下的閉式呼吸蛙人目標強度高約 5～10 dB.Sarangapani等指出肺和氧氣瓶可能是蛙人目標強度的主要因素，并使用簡單的有限圓柱體模型對蛙人進行近似建模，計算并測量了60 kHz不同方向柱體模型的目標強度，結果顯示在26 m范圍內，近似模型的目標強度等于-21.4 dB.聶東虎等通過聲學軟球體和剛性圓柱建立了蛙人數值計算的近似模型，以攜帶開放式呼吸器的蛙人作為研究對象，測量了正面、側面、平躺3種姿態(tài)下的目標強度測量結果，得到了目標強度隨入射角度變化關系，3種姿態(tài)下測量得到的目標強度平均值分別為-15.1、-15.9 以及-25.3 dB.實驗中采用干粉滅火器模擬氧氣瓶得到的目標強度平均值約為-16.6 dB，結果表明回波貢獻最大的是氣泡群，相比潛水裝備，蛙人身體對回波的貢獻較小.張波等在蛙人目標強度測量試驗中，以頻率為75 kHz聲波為發(fā)射聲源，經過驗證分析認為呼吸產生的氣泡群、潛水服、呼吸氣瓶是影響蛙人目標強度的主要因素，其中呼吸氣瓶的目標強度小于-20.6 dB，蛙人人體的目標強度約為-27.2 dB，表明蛙人攜帶設備所產生的貢獻高于人體的影響.Zampolli等用剛硬柱殼氣腔模擬不銹鋼呼吸器，該模型忽略了目標的彈性特性，僅在前后向散射目標強度隨頻率變化的關系方面驗證了模擬模型的適用性.Houston等在水池實驗測量了潛水員呼吸氣瓶的目標強度，給出結論是潛水員/氧氣瓶的目標強度可近似為簡單圓柱體或球體形狀.可見，氧氣瓶在蛙人目標強度中的作用不可忽視.但是已有研究得到的氣瓶的目標強度不完全相同，主要原因在于氧氣瓶多數采用近似結構，或者替代品.另外，不同姿態(tài)、不同的入射波頻率對蛙人的目標強度影響較大.因此建立精確模型，預報全方位的目標特性是分析蛙人目標特性并進一步識別的關鍵.

充分考慮入射方向以及姿態(tài)變化在回波特性測量中的作用，獲取全向、寬帶、精細化頻率間隔的目標回波特性，對于掌握蛙人總體目標特性有意義.基于周向分解的二維有限元軸對稱模型數值方法構建氧氣瓶模型，計算非軸對稱激勵下三維目標在不同方位目標頻率響應，闡述回波主要成分產生的機理以及頻率響應的共振特性與目標結構的關系，研究成果對于復雜結構目標的散射特性預報有指導意義.

1 有限元模型與數值計算

1.1 氧氣瓶結構

為了提高運算效率并拓展頻帶寬度，構建周向分解的二維有限元軸對稱模型計算三維目標散射遠場，完成全方位氧氣瓶頻率響應的數值計算，計算中所采用的幾何結構如圖1所示.圖中和分別為氣閥帽端部小臺階尺寸；為氧氣瓶柱體半徑；殼體厚度為0.8 cm；瓶體總長72 cm.

1.2 二維有限元模型的遠場積分公式

軸對稱目標在非軸對稱激勵下目標遠場積分公式為

z(||))-(||)×

(1)

式中：()為遠場聲壓；(，，)(和分別為遠場點徑向和周向距離，為聲波入射角)為遠場點；為入射聲波波數，大小為2π(為聲波波長)；為周向分解階次；為線積分所在的圍線；(，，)(和為目標表面任意點徑向和周向距離，為該點方位角)為目標表面任一點坐標；、、分別為二維軸對稱目標表面聲壓、法向位移徑向以及周向分量的周向分解形式；和分別為徑向和軸向的單位法向量；為聲波角頻率；為流體介質密度令=||，則()、()滿足下式：

()=2πi()ei

1.3 數值計算

結合圖2～5所描述的回波亮點特性，分析氧氣瓶頻率響應及其共振機理.

在線性聲學的假設下，信號發(fā)射至接收過程可以近似為線性時不變系統(tǒng)，回波就是系統(tǒng)對入射信號的響應，即時域回波可以利用發(fā)射信號和系統(tǒng)脈沖響應的卷積求解.根據卷積定理，空間域中的卷積運算可通過求解兩個函數快速傅里葉變換乘積的反變換而得.圖2所示頻率-角度譜即為全方位系統(tǒng)傳輸函數與入射調頻信號的頻率-角度譜相乘后，進行快速的傅里葉反變換得到目標時域回波仿真，結果如圖3所示.圖中為目標時域回波的傳播雙程；PL為回波聲壓級.相比有限長柱殼，氧氣瓶頻率-角度譜和距離-角度時域回波呈現明顯的不對稱性.

若聲波垂直于平頂端，即=0°，環(huán)繞波形成程差近似為2+π的等間隔波陣列.

2 回波機理及頻率共振響應特性解釋

2.1 回波構成與行程

（4）根據圖丙可知，電流表的量程為0～0.6A，分度值為0.02A，示數為0.24A，則燈泡的額定功率：P=U·I=2.5V×0.24A=0.6W。

2.2 距離-角度時域回波生成機理

若以目標中心為參考點，各個回波成分出現的角度范圍以及相對于目標中心的程差數值估計結果如表1所示.

若目標為有限長柱殼，則表1中的=0，=0彈性環(huán)繞波激發(fā)的條件是入射角等于臨界角，即=arcsin()，根據本文采用的材料參數得到≈31°，為s波相速度.根據表1所示的目標回波亮點出現的角度范圍和相對程差計算公式，得到目標回波的預報結果如圖5所示.預報結果和數值計算回波仿真得到回波亮點相一致.根據圖5得出以下結論：

(1)圖5(a)中，亮點回波產生特性關于=90°對稱非正橫入射方向的回波亮點主要由4個棱角產生，以=0°～90°為例，由于棱角④產生的波是聲波經繞射后返回的聲波, 故相對較弱.由于沿圓柱端面徑向和側面軸向的反向存在表面波的再輻射，故棱角②和③在臨界角附近產生的回波將會有明顯增強現象，增強是由彈性波引起的，如圖5中箭頭所指?處.

當腹板越來越厚時，靠近支座的剪力滯系數和剪力滯系數峰值有所減小，其他位置的剪力滯系數差別不是很大。腹板越厚，剪力滯系數的縱向分布趨勢將越均勻。

彈性體受聲波激勵產生的散射波主要包括幾何鏡反射波、Franz波、彈性散射波等.構成氧氣瓶回波的主要成分及行程計算如圖4所示.圖中、、、、、依次為棱角①、棱角②、不連續(xù)點③、不連續(xù)點④、球冠⑤及氣閥⑥等結構亮點回波相對于目標中心的行程差；′、分別為氧氣瓶總長度和閥門高度；為球冠半徑聲波入射角=0°～180°，在回波能量中的主要貢獻包括棱角①、棱角②、不連續(xù)點③、不連續(xù)點④、球冠⑤及氣閥⑥的亮點回波以及彈性環(huán)繞波.

從反應體系進入相平衡點、誘導時間和t 90時間來看，隨著反應溫度不斷升高，甲烷水合反應的速率逐漸加快，到達相平衡點，誘導期的時間逐漸減小。從化學反應速率角度分析，溫度越高，化學反應進行的速度越快。甲烷的水合過程可近似看做類結晶的非化學計量的放熱反應，因此，隨著反應溫度的升高，273.95 K的反應體系較273.75 K的反應體系較早地達到了水合反應的相平衡點和誘導期，甲烷水合反應的整體反應速率也逐漸減小。

(2)圖5(b)中，亮點回波產生特性關于=90°非對稱當聲波入射方向=0°～90°非正橫入射方向，③和④處為不連續(xù)點，因此氧氣瓶的回波亮點主要由2個棱角、1個不連續(xù)點和氣閥產生，④點能量較低可忽略.當=90°～180°時，由于氣瓶球冠的存在，不連續(xù)點③和④為平滑過渡點，不存在棱角亮點回波，故回波主要貢獻由棱角①、②以及球冠和氣閥產生.=180°為氣閥端，相比平頂端回波能量較低.氧氣瓶在臨界角附近同樣存在由于彈性波引起的增強現象.

(3)=0°和=90°方向，即正橫和平頂方位，除棱角波外，還存在等距傳播的表面環(huán)繞波，且程差分別近似為2π和2′+π，如圖5中?所示.

其中mk代表了第k個采樣的芯片，M是采樣的總和，其基數是仿真中采樣的數量.在上述模型中，緩沖器延遲下限ri是變量，并由解算器決定.約束式(12)要求延遲范圍包括0在內.在每一次解決完優(yōu)化問題式(7)～(12)以后，我們標記第mk采樣的緩沖器調整數目是nk.

2.3 頻率響應及共振特性形成機理

氧氣瓶外殼用不銹鋼材料，密度為 7 800 kg/m，縱波聲速 6 020 m/s，橫波聲速 3 200 m/s.采用收發(fā)合置測試方式，發(fā)射和接收位于目標遠場50 m處.圖2所示為利用二維有限元軸對稱模型計算得到的氧氣瓶全方位的散射頻率響應特性函數，即頻率-角度譜，圖中TS為目標強度，為聲波頻率.為了說明氧氣瓶幾何構成的各部分在總場中的貢獻，將內中空的有限長柱殼模型散射特性作為對比.聲波入射角范圍為0°～180°；發(fā)射信號頻率范圍為100～20 kHz.其中0° 為平頂端入射，90° 為正橫方向，180° 為球冠和閥門端.

(1)聲波入射方向=90°，氧氣瓶和柱殼散射頻率響應規(guī)律相似，主要貢獻是平面鏡反射波及繞柱殼彈性環(huán)繞s波和a波.由于a波相速度小于，a波無法到達遠場，此時，彈性波共振產生的條件是第次和第-1次環(huán)繞s波與鏡反射回波的相位差為2π的整數倍，此時共振頻率為

(2)

放飛想象力，無論是閱讀還是寫作，只有將自己的思維放飛，才能夠很快接受童話故事帶給自己的快樂，也才能夠理解童話故事后的真正含義。發(fā)展想象力，獲得更多的快樂和幸福，用最本真、最真誠的眼光看世界。在教學中，教師要注意語言的童話性，用兒童視野開展童話教學。

(2)若入射方向偏離0° 且小于90° 斜入射，球冠部分尚未產生亮點回波，回波主要由棱角①、②及不連續(xù)點③和氣閥⑥產生的波構成，不同回波之間行程差為波長的整數倍時，亮點回波相互耦合發(fā)生共振，形成頻率響應峰值，共振頻率為

滿足：

(3)

式中：為計算共振峰亮點對個數；為形成共振峰的相對程差與波長之比；1和2分別為用于共振峰預報的兩個亮點相對于目標中心的程差，與此同時環(huán)繞波沿柱體表面螺旋環(huán)繞傳播并向外輻射.

通信作者：楊健，從事林業(yè)科技項目管理和竹林機械開發(fā)與應用研究工作。E-mail: 963665252@qq.com。

cos=cos/sin

cos=sincos

(4)=90°～180° 時，散射回波中的棱角波主要包括棱角①、②、氣閥⑥和球冠⑤亮點疊加，共振峰產生的機理和前述一致.若90°-<<90°+，還存在彈性環(huán)繞波.=180° 時，聲波正對氧氣瓶閥門照射，當頻率大于10 kHz，回波強度相比有限長柱殼下降顯著，這是由于氣閥端的小平面和球冠的組合結構類似于由尖部和基部構成的吸聲劈尖，在高頻信號激勵下具有吸聲作用.當=90°時，為正橫方向，高頻處氧氣瓶散射聲壓比柱殼高出10 dB.偏向氣瓶閥門側斜入射，由于此時主要回波為彈性環(huán)繞波，氧氣瓶強度和柱殼目標強度均低于-20 dB.

2π(1-coscos)sin=2π

=1, 2, 3, …

(3)=～90°，與有限長柱殼相比較，閥門的附加亮點使得氧氣瓶散射強度增強，且頻域共振峰特性較為復雜.棱角①、②、不連續(xù)點③以及氣閥⑥所產生的亮點回波兩兩之間行程差為波長的整數倍時，亮點回波相互耦合發(fā)生共振，形成頻率響應峰值.聲波偏向平頂端斜入射，相對于正橫方向，兩種目標散射強度降低，氧氣瓶頻響共振峰起伏劇烈.原因在于氧氣瓶的主體是殼體，其回波是由若干個亮點回波疊加而成.主要成分包括棱角波和彈性環(huán)繞波，主要包括棱角①、②、不連續(xù)點③及氣閥⑥的亮點疊加，由于球冠的平滑過渡，不連續(xù)點④回波較弱不可見.

其中:為臨界角；為水中聲速.環(huán)繞波聲共振條件為

若發(fā)射聲波頻率為100～20 kHz，入射角圍繞目標旋轉0°～180°(平頂端為起始0°，氣閥端為180°)，根據表1所給出的各個亮點相對于參考點的程差，可以得出0°～180° 范圍內回波亮點的預報值，圖6(a)和6(b)分別為有限長柱殼和氧氣瓶共振頻率分布規(guī)律.由于亮點回波相互耦合，當不同回波之間程差為波長的整數倍(或相位差為2π的整數倍)時發(fā)生共振，形成頻率響應峰值.正橫和垂直于平頂端入射，即=0°和90°時的較強共振峰是環(huán)繞波與鏡反射相互耦合的結果.圖6(a)中給出最亮條紋所在位置的數值預報結果，其中紅色線表示棱角①與②，棱角③與④回波相互耦合產生的共振峰，藍色線表示角點①與③耦合共振峰，黑色和綠色線分別表示棱角①與④，棱角②與③耦合共振峰.圖6(b)中0°～90° 范圍的共振特性與圖6(a)類似，90°～180° 范圍內的共振峰主要是氧氣瓶氣閥、球冠⑤及棱角①與②作用下產生的.顯然，氧氣瓶與有限長柱殼的結構差異，使得兩者頻譜峰值特性發(fā)生顯著變化.

目前自貿港政策尚未正式出臺，相關業(yè)務處于蓄勢待發(fā)狀態(tài)，而自貿區(qū)作為自貿港的“1.0版本”，探析商業(yè)銀行自貿區(qū)業(yè)務發(fā)展現狀，有助于做好自貿港業(yè)務的提前布局?？傮w來看，我國商業(yè)銀行自貿區(qū)業(yè)務布局推進迅速，梯隊結構初顯。

3 實驗驗證

3.1 實驗環(huán)境與布局

蛙人攜帶氧氣瓶回聲測量實驗在莫干山對河口水庫中完成.發(fā)射換能器距離接收水聽器5.88 m，接收水聽器距離目標中心位置7 m.發(fā)射、接收、目標在同一水平位置處于水下8 m，測量平臺處水深18.5 m，氧氣瓶懸掛于可自由旋轉的轉臺，柱軸平行湖底吊放.測量實驗布局如圖7所示.單個氣瓶重量16 kg，總長度72 cm，半徑18.5 cm.

測量實驗中發(fā)射聲源為頻率40～80 kHz的線性調頻信號，旋轉轉臺在0°～430° 范圍內轉動，用時大概6 min，測試收發(fā)合置目標聲散射特性，截取得到0°～180° 范圍內距離-角度時域回波和頻率-角度譜分別如圖8(a)、8(b)所示，距離-角度時域回波實驗結果與數值預報十分接近.

3.2 目標強度計算

為了進一步說明氧氣瓶全方位散射強度的分布特性，圖9通過基于COMSOL多物理場軟件的有限元方法，完成二維軸對稱模型的數值計算和實驗方法，得到聲波頻率為70 kHz目標強度分布的指向圖.可見氧氣瓶在不同方位具有不同的目標強度，平頂端最強，球冠氣閥端最弱，當聲波斜入射時，水中回波在相應的 Rayleigh 角附近有明顯增強現象，增強應該是由彈性波引起的.這種現象可以解釋為沿圓柱端面徑向和側面軸向的反向 Rayleigh 表面波的再輻射.通過實驗和數據計算得到的結果比較吻合，出現誤差的主要原因在于：① 測試過程中目標回波疊加混響信號，使得斜入射方向實驗測試目標強度高于數值計算的結果；② 數值計算中氧氣瓶厚度是通過測量重量和體積后估算的結果，數值計算中未考慮實驗中氣瓶厚度非均勻性；③ 目標的吊放不是十分嚴格的水平吊放，目標中心與數值計算也略有偏差，使得在平頂方向存在一定誤差.

4 結語

氧氣瓶作為開式呼吸蛙人攜帶的主要設備之一，是影響蛙人目標強度的主要貢獻.本文結合亮點模型和彈性環(huán)繞波理論給出散射回波的預報模型，較好地實現了頻譜共振特性的精確預報.通過有限元數值計算和實驗兩方面驗證結果表明：不同方位對回波產生影響的主要因素不同，聲波垂直柱軸或平頂端入射，環(huán)繞波繞柱面形成等間隔波陣列；對于聲波斜入射時無論是有限長柱殼還是氧氣瓶，柱殼表面激發(fā)的螺旋環(huán)繞波并產生再輻射，都存在彈性波增強效應.影響氧氣瓶回波強度的主要因素為目標的鏡反射和角反射，氣瓶閥門和球冠等復雜結構產生的附加亮點和環(huán)繞波對不同方位散射頻率響應特性的影響較大.與有限長柱殼相比較而言，聲波垂直于平頂端照射，兩種模型目標強度差別不大.氧氣瓶目標強度在正橫和斜入射方向目標強度相對較高，這是因為氣瓶閥門和球冠部分存在增加了新回波的亮點.氧氣瓶平頂端目標強度約為0 dB，正橫方向約為-10 dB.斜入射方向平均強度約-15 dB，在臨界角附近明顯增強.特別是閥門端類似于由尖部和基部構成的吸聲劈尖，在高頻信號激勵下具有吸聲作用，因此相比圓柱殼近似模型，平頂端目標強度低20 dB左右.全方位目標強度的求解對于后續(xù)攜帶氧氣瓶蛙人的辨識和關鍵特征點的提取有指導意義.

與風力發(fā)電、潮汐能發(fā)電等方式相比，火力發(fā)電過程伴隨有更加復雜的能量轉化，使得能源利用率低且污染嚴重.在這樣的背景下，教師就可以提出這樣一個問題：怎樣才能簡化能量轉化環(huán)節(jié)，將化學能直接轉化成為電能呢？結合之前的學習內容可以知道，通過氧化還原反應過程，化學能可以直接轉化成為電能，這樣的只是引入方式能讓學生產生更多的思考與共鳴，對知識的理解也更加深刻.