海底声散射特性进展及展望

为了对海底声散射特性进行系统分析和规律总结,本文梳理了国内外有关海底声散射特性的研究进展。介绍了海底声散射的基本概念,并对界面粗糙散射及沉积物体积散射的理论模型进行了总结;从高频(>10 kHz)和中频(1~10 kHz)2个方面阐述了国内外典型海底声散射特性测量实验,同时对当前具有代表性的海底声散射实验结果进行了归纳分析。最后剖析和探讨了当前海底声散射研究中存在的问题和未来发展方向,并指出海底中频及宽掠射角声散射模型研究在水下攻防应用中尤为紧要。

浅海粗糙海底声散射建模及声场特性

声散射是海洋声学的重要内容,海底表面的不平整性形成的声散射是海洋中引起声传播起伏的原因之一.针对海底表面粗糙度声散射问题,建立了水平分层浅海波导中海底散射声场模型.该模型将简正波理论与Lambert定律相结合.基于该模型获得了散射声场声压的振幅与相位的统计分布,并数值模拟了海底散射声场的强度及其空间相关系数,实现了粗糙界面条件下海底散射声场预报,揭示了散射声场空间特性随海底粗糙度的变化规律.结果表明,使用Lambert定律描述粗糙界面声散射时,在海底粗糙度小于波长情况下,随着空间距离的增大,空间两个不同位置的散射声场的空间相关系数具有周期性振荡衰减的变化规律,并且在垂直方向上,振荡周期更大,衰减更慢.当粗糙度增大时,水平和垂直相关系数振荡幅度逐渐增大,水平相关系数振荡周期数逐渐减少,在接收点逐渐靠近海底时,垂直相关系数不再发生衰减,这是海底声散射减弱的结果.本文模型理论亦可推广到粗糙海面的声散射建模中.对于非水平海底情况,采用耦合简正波或绝热简正波理论进行声传播建模,可以得到距离有关波导中粗糙界面的散射声场.

基于声散射波的水下声固耦合系统频率识别方法

目的面向水下声固耦合系统固有频率识别需求,提出了一种基于水下声压响应的系统特征频率识别方法。方法利用有限元法计算得到无限水域中结构的时域散射声压,采用希尔伯特-黄变换(HHT)方法识别了声散射波中各阶模态分量中的特征频率。针对传统的HHT方法在经验模态分解(EMD)步骤中存在产生虚假模态和模态混叠的情况,应用相关系数检验的方法剔除虚假模态分量,并利用频谱分析与滤波技术相结合的方法避免模态混叠的影响,提升识别结果的精度。结果基于该方法识别了水下圆柱、平板等声固耦合系统的固有频率,验证了该方法的适用性。结论该方法能有效识别声固耦合系统的主要固有频率。

船用螺旋桨静态声散射预报方法及特性

针对螺旋桨静态声散射特性预报问题,采用分层介质声传播理论与离散面元厚度信息相结合的板块元算法,建立变厚度曲面薄板目标声散射特性预报方法。基于面元厚度及材料属性信息求解所有面元的反射系数,进而求得目标的总散射声场。为了提高计算效率,通过单片桨叶网格拓扑克隆的方式实现完整螺旋桨的散射声场预报,并通过有限元和静态声散射特性湖上试验对新的预报方法的准确性进行了验证。研究结果表明:螺旋桨目标强度的频响特性、角度-距离谱以及空间指向性预报值与测试值基本一致。研究结果对水下航行器艉向附近的声散射特性预报具有一定的参考价值。

南海北部内波作用下声散射层垂直迁移特征研究

利用深海潜标搭载的声学多普勒流速剖面仪得到的后向散射强度,研究了南海北部声散射层的昼夜垂直迁移和内孤立波对其的影响。观测结果表明:受浮游动物影响,声散射层主要表现为“昼沉夜浮”,日出前约1 h至日出期间向下移动,日落至日落后约1 h期间向上移动,平均迁移速度为4.7 cm/s(上移)和5.8 cm/s(下移)。此外,经过观测海域的内孤立波引起一对先向下后向上的垂向流,最大垂向流速超过50 cm/s,导致声散射层发生数十至上百米的起伏,海洋上层的声学后向散射强度在内孤立波波谷处达到极大值。进一步的研究显示日间出现内孤立波垂向流速与深度平均后向散射强度变化幅度相关性比夜间的内孤立波高。在两种类型波动引起的垂向流速相当时,日间的深度平均后向散射强度变化幅度通常大于夜间。

声散射问题的等几何双重互易边界元法

提出了三维频域声散射问题的等几何双重互易边界元法。采用频域无关的基本解求解非齐次亥姆霍兹方程,无需如传统边界元法在求解频率声散射问题时重复计算系数矩阵。引入双重互易法将域积分转换为边界积分,得到三维无限域双重互易展开基函数,实现了双重互易法在无限域声场问题上将域积分转换为边界积分的应用,最大程度保留了边界元法降维的优点;同时,为提高域积分的求解精度,给出了变异系数的取值范围。数值结果表明,等几何双重互易边界元法在求解频域声散射问题时具有较好的精度和稳定性。

水下低频振荡涡流场声散射调制机理与特性研究

水下涡流场对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题,在水下目标探测和流场声成像领域具有重要意义.针对水下低频振荡涡流场声散射调制问题建立了理论分析模型与数值计算方法,探究了其声散射调制声场的产生机理与时空频特性.首先,基于运动介质的波动方程,通过引入势函数将波动方程分解为流声耦合项和非耦合项,并对流声耦合项进行频域分析处理,揭示了水下振荡涡流场的声散射调制机理;其次,采用间断伽辽金数值方法对水下低频振荡涡流场中声传播过程进行了数值模拟,分析了低马赫数条件下,不同入射声波频率、涡流场的振荡频率和涡核尺度对涡流场声散射调制声场时空频特性的影响规律,并结合理论分析模型对其特性进行了解释.研究表明:低马赫数下,振荡涡流场对声波的散射可产生包含涡流场振荡频率双边带调制谐波的散射调制声场,且随着入射声波频率、涡核尺度的增大,散射调制声场强度增强,总散射声场空间分布具有对称性和明显主瓣,且主瓣方位角趋近于入射波传播方向;在频率比远大于1条件下,涡流场振荡频率对散射调制声场强度影响较小.

水下航行体分片参数化多亮点声散射预报方法研究

针对现有亮点模型预报水下航行体声散射特性精细程度不高的问题,建立能反映水下航行体真实线型以及精细声散射特征的亮点模型。采用线性插值算法和分割目标方法建立指挥台和艉部的参数化亮点模型,并采用板块元方法对建模结果进行验证。对包含指挥台和艉部在内的Benchmark潜艇模型声散射特性开展建模研究,并与BASIS方法的标准解进行对比。通过开展Benchmark缩比潜艇模型声散射湖上试验,获取Benchmark缩比潜艇模型目标强度测量结果,并与亮点模型方法进行对比。研究结果表明,建立的指挥台和艉部参数化亮点模型是准确的,将各部件的空间相位信息考虑在内,亮点模型能够预报水下航行体的精细声散射特征。研究结果对水下目标声散射快速预报具有一定的参考价值,在快速时域回波预报方面应用前景广阔。

水下超表面角反射体声散射调控机理研究

角反射体是雷达目标和声纳目标常用的诱骗手段。为拓宽常规凹面角散射声场的调控效果,提出在水下角反射体中镶嵌声学超表面的调控方法和计算方法。基于板块元方法和射线追踪算法建立带声学超表面构型的角反射体声散射预报模型,利用射线追踪判别声线位置,考虑对应相位跳变加以修正,并通过有限元仿真进行验证。基于建立的声散射预报模型,研究槽阵列梯度和周期结构对散射声场的调控效果。研究结果表明:带有梯度变化的声学超表面结构能够明显改变水下目标的声散射特征,正、负梯度组合槽阵列结构对于声散射主方向的调控效果较为明显;多周期组合槽阵列梯度结构相较于单周期结构散射声场调控效果更为明显。

敷设空腔覆盖层水下复杂目标的声散射特性研究

研究敷设空腔覆盖层水下复杂目标的声散射特性具有重要的意义。首先通过建模软件构建目标模型,然后利用分层近似法,结合多层介质的传递矩阵方法,将含有变截面空腔的吸声覆盖层分为多个可视为圆柱空腔结构的薄层,进而实现复合结构的声反射系数的求解,最后利用基于戈登(Gordon)积分的板块元方法对目标强度进行预报,并针对复杂目标提出基于光线投射的可见面元判别方法。在此基础上,以BeTSSiⅡ标准模型为例,研究敷设空腔覆盖层的水下复杂目标的声散射方位特性和频率特性。结果表明:文中提出的基于光线投射的可见面元判别方法可以快速有效地提供板块元方法所需的可见面元;板块元方法对BeTSSiⅡ标准模型的预报结果可以很好地反映其目标强度的特征及其变化规律;模型敷设空腔覆盖层可以有效降低目标强度,与敷设等厚均匀覆盖层时相比,复合结构声反射系数曲线的第一谷值频率降低,在频率较低时敷设空腔覆盖层的吸声效果更好,可以进一步减小目标强度。该研究有助于实际工程中实现对水下平台散射特性的快速预报。

基于Kirchhoff近似与曲面三角形网格的水下目标声散射特性分析

针对水下复杂目标回波特性快速预报问题,采用Kirchhoff近似和曲面三角形网格建立目标声散射特性分析模型。将目标表面离散为曲面三角形网格,采用高斯-勒让德求积方法直接计算亮区内曲面元上的散射声场并求和,得到目标的总散射声场。计算刚性球、椭圆柱、球冠柱和Benchmark缩比模型4种典型目标的目标强度,与采用平面三角形单元的板块元方法及实验测试等结果对比,验证曲面元方法的可靠性。数值算例结果表明,该方法具有良好的精度与计算效率。

基于薄膜编码超表面的宽频超薄声散射体

该文提出了一种基于薄膜编码超表面的宽频超薄声散射体。利用附加质量块的薄膜和空气腔组成的薄膜结构构建了反射声波相位差接近180◦的两种共振单元。将两种共振单元按照一定的顺序进行排列,可以组成深亚波长尺寸下的声学超表面。所构建的声学超表面可以产生宽频有效的散射声场。通过有限元仿真软件对多个频率的近场散射声场分布、远场声指向性和扩散系数进行了仿真计算,仿真结果显示,该散射体可以高效地散射入射声波,并且散射效果在一定的频率范围内是宽频有效的。

水面船舶运动姿态对声散射特性的影响

[目的]为了进一步提高鱼雷通过声自导识别复杂水面目标的精度,对随机起伏海面及水面船舶运动姿态下的声散射特性进行模拟研究。[方法]基于Kirchhoff近似和六自由度运动分解合成的方法,建立水面船舶目标多路径声散射简化预报模型。在该模型中,海面波浪对船舶六自由度运动幅度和周期的影响由经验统计值描述,通过旋转矩阵和平移矩阵,实现目标各顶点在连续运动状态下的坐标变换。基于此,利用所建预报模型,分析不同水平探测角下船舶六自由度运动分别对声散射特性的贡献度和影响。[结果]研究表明:横摇和艏摇对正横探测方位角的声散射影响较大,纵摇对艏、艉向声散射影响较大。此外,建立了船舶运动姿态与目标声散射回波特性的关系。[结论]研究结果可为声呐设备对水面目标主动声探测提供技术支撑。

点声源入射下水下弹性球壳声散射分析

为了研究水下目标的声散射问题,在经典Rayleigh简正级数解析解的基础上,结合格林函数在球坐标系中的表达式,计算了点声源球面波与平面波的折算因子;基于平面波入射下弹性球壳的散射声场,完成了点声源入射下的弹性球壳散射声场求解,并进行了有限元验证。以此为基础,计算并分析了典型球状目标的目标强度;从目标强度的角度出发,对点声源与球心的距离进行量化,提出球面波可近似为平面波处理的条件。研究结果表明:当点声源在球体表面附近时,散射体的目标强度曲线峰值相对于平面波入射下会发生偏移;此外在无因次频率ka <50时,球面波可近似为平面波入射,点声源和球心的临界距离与球壳半径、球壳厚度有关。研究结果可为水下目标的探测、识别及水声测量实验提供理论参考。

边界元耦合径向基点插值无网格法在求解声散射问题中的应用

边界元耦合有限元方法(BEM-FEM)在求解无限域弹性结构声散射问题中得到广泛应用。传统有限元方法的计算精度依赖网格的类型和质量,而无网格方法离散问题域时不需要传统意义上的网格划分,其形函数构造不依赖网格且相对灵活。因此无网格方法相比传统有限元方法可以减少网格划分成本并减缓数值污染效应。将边界元方法(BEM)和径向基点插值无网格法(RPIM)结合,形成边界元耦合径向基点插值无网格法(BEMRPIM),用于求解无限域弹性结构声散射问题。本文分别从计算精度、收敛性和对不规则节点分布的适应性对BEM-RPIM和BEM-FEM进行比较,结果表明提出的BEM-RPIM在求解声散射问题中优于BEM-FEM。

近岸4种鱼的声散射特征提取及融合实验研究

为了有效地提取表征鱼类间差异的声散射特征参数,该文通过绳系法实验研究了近岸4种经济鱼类的声散射信号特征提取及融合方法。首先,通过自研双频鱼探仪采集花鲈、许氏平鲉、黑鲷和斑石鲷的个体鱼声散射信号;然后,分别测定200 kHz和450 kHz换能器下鱼体的目标强度,同时提取鱼声散射信号的时频域统计特征;最后,将降维后的时频特征与频差特征融合组成新的特征向量。该文通过实验验证了该方法的有效性,基于组合特征的支持向量机识别准确率达93%。结果表明,鱼的频率响应特性和鱼声散射信号的时频域统计特征能一定程度上反映鱼的固有属性,有效地增加判别依据能显著提高以上4种鱼类的识别准确率。

固体媒质中异质球形散射体的声散射特性

复合材料的物理性能和基材中填充物的复合状态有着密切的关系 .应用声散射方法研究复合材料复合状态是材料评价的常用方法之一 .在许多情况下 ,基材中的填充物呈现球状 ,因此对基材中球形填充物的散射研究是人们十分重视的研究课题 .然而以前的研究中 ,大多数讨论了纵波或横波入射时单一球形固体、流体或真空腔体的散射特性 ,对同一基材中不同性质材料球形散射体的散射谱特性及影响散射谱的因素较少涉及 .而后者对复合材料的评价很有意义 .首先介绍了固体中异质球形散射体的声散射理论模型 ,然后数值计算了同一基材中不同材质的球形散射体对入射平面声纵波的散射谱特性 .结果表明 ,散射体的归一化散射截面谱同基材和散射体的声速在速度状态图上的相对位置有直接的关系 ;散射截面随频率的变化规律在低频区的特性主要反映了散射横波的性质 。

锅炉管束声散射的理论分析

声波除灰技术虽然已经在国内外的电站、石化及一般工业锅炉上推广应用，但是与之相关的多数基本问题都还没有得到很好的解决。本文使用Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ积分方程的数值计算方法讨论了锅炉换热器管排的声场散射问题，得到了管道表面及管排周围的声场分布特性，对当前声波除灰技术的发展应用具有重要指导意义．

FEM-BEM耦合方法分析弹性目标的声散射问题

利用有限元耦合边界元方法,建立了无界流体中内部有填充物的弹性壳体的声散射问题计算的数学模型,其中包括内部填充物与壳体的耦合、壳体与外部流体的耦合.为验证数学模型的正确性,对水中中空及有填充物的弹性球壳的反向散射特性进行了数值计算.结果表明,在低频时,散射声场的数值计算结果与解析解较吻合.进一步使用该方法计算了一端带半球帽的圆柱壳在中空和有填充物时的反向散射特性,得出了填充物可起到变异作用.

充水有限长圆柱薄壳声散射:Ⅱ.实验

从实验和理论上研究了充水有限长圆柱薄壳的声散射。实验采用指向性尖锐的宽带收发合置换能器,发射宽带调频信号和单频窄脉冲信号进行测量,所得结果分别在时域和频域上与理论计算结果相对比,证明其吻合程度很好。理论和实验的结果表明,内部充水圆柱壳在频域上增加了一组由内部流体负载引起的附加波的共振;而在时域上增加了一系列由于声波在壳体内来回反射产生的"回音廊"式回波。频率-角度图中"碗"形亮线出现分簇的原因解释为前几种模式"回音廊"式回波叠加的结果。