水下双层加肋圆柱壳全空间收发分置散射声场快速预报方法

针对水下双层加肋圆柱壳的全空间收发分置散射声场求解,提出了一种快速预报方法。该方法将散射声场表示为声散射传递函数与声源密度函数的乘积,以目标表面网格信息、少量的仿真或测试多基地散射声压数据作为已知信息,借助数值积分、矩阵理论、最小二乘法对其他收发分置散射声场进行预报。分别以有限元仿真和试验测试的散射声压数据作为输入,对水下双层加肋圆柱壳的多基地散射声场进行了计算,并与完全采用有限元方法的计算结果进行了对比。结果表明:该方法在目标表面结构和部分散射声场数据已知条件下能对目标的全空间收发分置散射声场进行预报;已知散射声压数据量越多,计算频率越低,预报精度越高。

基于有限数据的水下球类目标多基地低频散射声场预报方法

针对水下球类目标多基地声散射声场预报,提出了一种基于有限散射声压信息数据的预报方法.该方法将散射声场表示为声散射传递函数与声源密度函数的乘积形式,通过数值积分以模型表面网格信息作为输入得到声散射传递函数,以已知的少量散射声压数据作为输入,综合运用声学互易性、最小二乘法和矩阵变换得到声源密度函数.针对双层球壳以及带铺板球壳,分别利用Rayleigh简正级数解和有限元计算方法对该预报方法进行了验证.对带铺板球壳进行了目标强度试验,对比了测试结果和有限元计算结果,分别以几个测试数据和有限元数据作为输入预报了带铺板球壳多基地散射声场并与有限元结果对比.仿真和试验结果均吻合较好,验证了该预报方法的可行性.

双基地声呐散射声场的建模与仿真

利用变形柱方法,建立了非入射方向水下椭球目标散射声场的数学模型。通过建模与仿真实验,得出了椭球目标在双基地条件下,散射回波的空间分布,以及在不同分置角时,散射强度随目标姿态角的变化关系曲线。通过仿真曲线与水池实验曲线的比较,验证了理论模型的正确性。

对记录脉冲声场的光学方法及对沙中埋藏的类圆柱体的散射声场的研究

本文对用于记录流体中脉冲声场的两种方法——Schlieren法和Shadowgraph法的响应进行了研究。研究表明对于Schlieren法,成像屏上的光强的响应对于声压是非线性关系;对于 Shadowgraph法来说,则是线性关系。由于 Shadowgrph法的工作不受频率限制,适用于在低超声频下研究海底模型和埋藏物的声场。本文利用Shaodowgraph法记录了埋在沙中圆柱体、类圆柱体的低超声频脉冲的散射声场,对半埋体记录到5种散射波,对全埋体则记录到3种散射波,对半埋体与全埋体都记录到两种爬波(纵波爬波、横波爬波)。

修正一阶Born近似改进水中弱散射目标的散射声场预报

在推导Fourier衍射定理中运用一阶Born近似时忽略了弱散射体内外的波数差异,使散射声场方向特性的预报产生较大误差,针对这一问题,对一阶Born近似进行修正。考虑散射体内外波数差异引起的幅度和相位误差,通过调整频域采样圆弧半径并移动圆心位置得到了修正的一阶Born近似解。由于更准确地反映了目标与周围水介质的声学性质,有效提高了散射声场的预报精度。根据修正的Born近似计算了弱散射条件下无限长圆柱目标的散射远场指向性,结果与严格解相吻合,对其它形状截面的柱状目标也得到了合理的计算结果。

复杂形状封闭薄壳内部存在散射体时的内部散射声场计算

基于覆盖域的思想和方法，本文给出了复杂形状封闭薄壳在内部存在散射体时的内部散射声场计算表达式．研究结果表明，该内部散射声场可表示为封闭薄壳的内部散射声场和这些散射体的外部散射声场之和的形式．最后用数值分析验证了该结论的正确性．

水下不同边缘扁平结构散射声场特性研究(英文)

鉴于实际中存在的水下扁平结构的边缘特点,也为研究不同边缘附加结构形式对其散射声场的影响规律,并为边缘衍射效应影响抑制机理与技术等奠定基础,本文通过采用边界积分方法和边界元数值计算技术,并结合水下目标散射强度估计和水声无源材料自由场测试等工程实际,对不同边缘结构形式的水下扁平结构在不同频率范围和空间几何配置条件下的散射声场分布规律开展了定量的研究与分析。研究结果表明:在发射声源与结构几何配置等条件一定的情况下,无论前向散射还是镜向散射,附加边缘结构扁平矩板结构散射声场在频域和空间分布趋势上与未附加边缘结构的基本一致,即低频段起伏较小,而中高频段则波动较为剧烈,与结构距离越近越剧烈,这在前向散射中表现得尤为明显,其与波贡献主要成分、附加边缘的结构类型、边缘结构附加方式、结构参数、声波相干作用和边缘重数等因素密切相关。

水下扁平结构散射声场计算研究

出于拓展计算频域宽度角度考虑,该文提出一种基于积分方程法和几何衍射法为理论基础的可覆盖水声全部工作频段的水下扁平目标散射声场的宽频域混合计算模型,并以矩形钢板为目标,对其在不同声波入射角度条件下的水下散射声场频域分布开展了定量研究与讨论分析,并得出:两种方法在所求解频域内的计算结果均互为补充,在中频段吻合程度较好,吻合频点与收发位置和结构的几何配置等因素有关;散射声场频域分布特征与各成分波间的相干作用有关。此外,对于钢板这类表面接近刚性的水下结构而言,镜向散射强度普遍强于前向散射。这表明,上述宽频域混合计算模型是可行的和可靠的,求解频域宽度和精度均得到有效改善,这对水下目标散射强度估计和自由场材料声学测试与评估等领域具有重要意义。

随机粗糙表面散射声场的实验研究

本文采用一种新的规一化方法,对五种粗糙度不同的表面进行了超声背向散射系数的测量,给出了平均散射声强与物体表面粗糙度,超声频率和接收掠射角之间的变化关系,并与理论结果进行了比较。

Gaussian分布表面的散射声场

本文假设随机粗糙表面符合Ｇａｕｓｉａｎ分布，建立了来自粗糙表面的平均散射声强与物体表面粗糙度，超声频率和接收掠射角之间的闭形解析表达式．本文理论结果与文献［１］报道的实验结果符合较好．

水下复合边缘扁平结构散射声场特性研究(英文)

通过采用边界积分方法并结合水声无源材料自由场测试等工程实际,对几种典型复合边缘结构形式的水下扁平结构的散射声场分布规律开展了进一步地研究与分析。在此基础上,尝试在不改变主体扁平矩板结构声学性能的前提下,提出通过附加边缘结构设计即物理解决途径上对自由场测试中存在的边缘效应进行抑制或去除,为提高测试精度(尤其是低频段测试精度)创造条件,也为边缘效应抑制机理和技术的研究与开发奠定基础。数值仿真与理论分析结果表明:1.复合附加边缘矩板结构的散射声场频域分布特性与多数附加边缘类型扁平矩板结构散射声场分布的总体规律基本一致,在趋势上是相似的,而边缘重数的增加加剧了前向散射与镜向散射声场间的差异性和不同程度地增大了声场的波动程度;2.附加边缘声学结构设计(如共振吸声结构或软表面声学处理、增加有效边缘重数等)对抑制结构边缘效应负面影响是有效的和可行的,且具有较好的可控性。

水下掩埋目标的散射声场计算与实验

水下掩埋目标声散射问题是识别和探测掩埋目标的理论基础,是声散射研究领域的热点问题.本文基于射线声学推导了掩埋情况下目标声散射计算的格林函数近似式,并在此基础上进一步给出了相应的远场积分公式.在有限元方法的基础上,将推导得到的公式写入有限元仿真软件,对软件功能进行拓展,构建二维轴对称目标的声散射模型,并计算掩埋情况下弹性实心球在不同条件下的目标强度,获得了其散射声场随频率、掩埋深度、沙层吸收系数等参数的变化规律.开展实心球的自由空间和浅掩埋条件下水池声散射实验,利用共振隔离技术处理实验数据,提取目标声散射的纯弹性共振特征进行分析,结果表明可将其用于掩埋目标识别和探测.最后利用总散射声场与理论计算结果进行对比,验证了理论仿真的正确性.

一种计算固体中超声脉冲散射声场的边界元法

本文分析了用边界元方法计算固体中超声的散射，提出了一种时间域超声散射计算方法，这种方法能动态显示超声散射的全过程，并和动态光弹照片进行了对比。

基于ANSYS和SYSNOISE的水下目标低频散射声场仿真

提出了一种水下目标低频散射声场的仿真方法。根据边界元理论推导了目标散射声场的Helmholtz公式,给出了有限元分析软件ANSYS和振动-声分析软件SYSNOISE联合仿真方法和流程,计算了刚性球体的场点声压,并与经典理论结果对比,验证了该方法的适用性,对Bs TSSi潜艇模型低频近域散射声场进行了仿真分析,得到了该目标表面声压分布、散射声场声压分布及其方向图。该方法计算精度高、仿真结果直观,便于分析水下复杂目标散射机理和规律特性。

计算水下凹面目标散射声场的声束弹跳法

为了解决含有多次散射时水下目标声散射场的计算问题,提出了一种声束弹跳方法。把入射声波划分为若干声束,根据几何声学方法计算每条声束在目标表面的反射方向和能量损失,利用物理声学方法计算最后一次反射的声束所对应的面元的散射场,通过计算所有声束产生的散射场的叠加得到整个目标的散射场。计算了直角凹面圆锥体的散射声场,并对具体模型进行了水池测量实验,理论计算和实验测量结果一致。表明该方法作为一种高频近似的数值计算方法,可以计算存在多次散射时水下目标的散射声场。

一种基于流固耦合问题的低频散射声场预报方法

提出了一种流固耦合作用下的低频散射声场预报方法。从边界积分方程出发,推导弹性散射中流固耦合方程,通过引入附加质量、附加阻尼、附加压力概念实现解耦。将弹性散射表述为纯刚性散射项与二次辐射项的叠加,建立了刚性散射与弹性散射的联系。与辐射问题不同,散射中流体对结构的作用不仅表现为附加质量和附加阻尼,还存在一个与结构响应无关的压力项,且该压力项是二次辐射项的激励源。采用Fortran编写了边界元算法程序,用DMAP语言实现与Nastran的对接,形成了完整的散射声场预报方法,通过与理论结果对比,验证了预报方法的正确性。圆柱壳散射的计算结果表明:低频散射时弹性不可忽略;圆柱壳厚度对弹性散射强度和指向性有明显影响;肋骨对柱壳散射的影响与振动形式有关,环肋骨对以弯曲模态为主的弹性散射影响很小。

币形气隙散射声场特征——指向性与频率特性研究

币形裂纹的散射声场特征对裂纹型缺陷的超声无损检测具有重要意义,作为可以进行解析求解的简化模型,采用扁椭球坐标系下的分离变量法对标量声场中的币形气隙散射远场进行了分析计算,由于散射声场等价数学问题的奇异性决定了场的独特性,计算中讨论了微分方程的奇点及方程解的特性,数值计算结果表明,远场散射系数随ka呈不规则振荡上升趋势,而随入射角的不同,远场指向性呈比较复杂的变化,变化规律与ka相关,随入射角的增大,远场散射系数最大值迅速减小。

非均匀流体介质内部散射声场重建的逐层计算方法

入射声波激励下非均匀流体介质内部散射声场的重建方法对超声层析成像具有重要意义。以往采用矩量法求解,但该方法全域离散形成的复数满秩矩阵规模随着分辨率与计算精度的提高急剧增大,对算力具有很高的要求,一定程度上限制了其在实际中的应用。为克服上述缺陷,以逐层离散、逐层计算为核心思想,以声散射基本公式与近场声全息理论为基础,推导出逐层计算非均匀流体介质内部散射声场的理论公式并给出对应的几何离散模型。为验证该方法的可行性,以矩量法为参照,对同样的介质模型进行介质内部声场重构仿真。结果表明,逐层算法不仅可以有效地重建非均匀流体介质内部散射声场,且大幅度减小了求解规模。

球坐标系下入射与散射声场分离理论

通过球面波谱变换,将包围散射体的两同心球面上的声压分解为一系列传播形式已知的球面波单元,再利用波场的外推规则建立了两球面上相同阶次的球面波单元间的关系,在波数域中建立了球坐标系下入射与散射声场分离公式;运用分离得到的散射声压,即可重建和预测整个散射声场.为了克服声学逆问题的不适定性,提出了一种波数域的滤波技术;并且从理论上证明只需保证两全息球面足够接近就能克服分离公式的奇异性问题.数值仿真的结果充分证明了该分离理论的可行性和有效性.

水下空腔多格角反射体声散射特性研究

针对水下单层薄金属板多格角反射体存在频率特性强烈,难以形成较为稳定目标强度的问题,设计了一种新的空腔多格角反射体。采用结构有限元结合流体直接边界元法,对水下空腔多格角反射体声散射特性进行了仿真计算,在5.0~15.0 kHz入射频率范围内,研究分析了平板厚度、空腔厚度、入射角度等因素对其目标强度的影响机理。结果表明:与薄金属板多格角反射体相比,空腔多格角反射体频率特性较弱,去耦作用明显,散射能力强;空腔多格角反射体在一定角度范围内都能保持稳定的目标强度,具有更优的反射性能,是较为理想的水下声反射装置。