冰层中相控阵超声波束传播特性的数值模拟

为解决现有结冰探测技术监测范围小、探测灵敏度低和冰厚探测受限等问题,开展了基于相控阵的超声结冰探测机理研究。以COMSOL为数值计算平台,在相控阵超声波束合成原理基础上,构建了相控阵超声波束覆冰铝板传播模型,研究了相控阵超声波束在三维冰层中的传播规律。与其他结冰探测技术比较,相控阵超声结冰探测范围更宽;与同相激励比较,相控阵激励产生的超声波束能量更集中;S_(0)模态波束位移峰值随冰厚、冰宽、冰长的变化更加显著,S_(0)模态波束位移峰值变化率随激励频率递增,可应用于提高结冰探测灵敏度;超过一定激励频率时S_(0)模态波束位移峰值出现拐点,可能导致冰厚提前饱和;选用合适的激励频率,可同时提高结冰探测灵敏度和冰厚探测的上限。初步探明了相控阵超声波束在冰层中的传播特性,为后续开展超声结冰探测的工程化应用提供了理论参考。