双层周期加肋有限长圆柱壳声散射精细特征研究

研究了双层周期性加肋有限长圆柱壳在水中的声散射特性. 壳体振动用薄壳理论的Donnell 方程描述,环肋振动用相互独立的薄板纯弯曲振动和平面应力状态下的振动方程描述,忽略弦间流体对环肋轴向力的作用. 数值计算给出远场收发合置情况下的周向目标强度和角度-频率谱图,并据此进行机理分析. 计算结果表明远场散射声场中除壳体弹性贡献外,弦间流体以及环肋与内外壳的相互作用对散射声场的贡献也是很重要的,并且在角度-频率谱中出现了舷间流体引起的流体附加波以及周期环肋引起的Bragg散射等回波精细特征,其中流体附加波是双层加肋圆柱壳声散射最重要的散射精细特征,是以往单层圆柱壳声散射所不具有的现象. 最后通过实验对理论推导进行了验证,实验与理论基本符合. 关键词： 声散射 圆柱壳 环肋 流体附加波     

外部加环肋有限长圆柱壳体声散射

为了深入理解双层加肋圆柱壳体的声散射机理,专门研究了两层壳体之间环肋的声散射。仅考虑模型的刚性散射,采用Kirchhoff近似推导了单个环肋的反向散射声场的解析解,并推广到等间距的环肋散射,结合圆柱壳刚性散射得到外部加周期性环肋的圆柱壳体的散射声场近似解。同时,利用图形声学方法(GRACO)对模型的目标强度进行数值计算。理论与实验的结果表明,刚性散射在反向散射声场中起主要作用,周期性环肋引起的Bragg散射对散射声场有重要贡献,同时遮挡效应在实际情况下有较大作用。      

加肋双层圆柱壳振动声辐射数值计算分析

利用有限元软件ＡＮＳＹＳ和边界元软件ＳＹＳＮＯＩＳＥ对一双层加肋圆柱壳的水下受激振动与声辐射作了数值计算分析研究．该双层柱壳为环向加肋,并且两端带有半球帽．利用ＡＮＳＹＳ软件数值计算了双壳的轴对称模态,及当双壳在水下受点力激励时外表面的法向位移、法向质点振速及表面声压和法向声强的频率响应。然后,将法向位移数据传递给ＳＹＳＮＯＩＳＥ软件,利用边界元技术计算了双壳的辐射声功率及辐射效率的频率响应,及其近场的声压和声能流分布和远场指向性。ＰＡＣＳ数：４３．２０, ４３．３０     

收发分置目标强度的计算及前向散射信号的分离

研究时域有限差分(FDTD)法计算收发分置弹性目标散射声场的有效性,和实验测量中从直达与散射干涉信号中分离目标前向散射信号的方法。将FDTD法应用于三维声场计算,分别计算了平顶圆柱、球顶圆柱、球锥顶圆柱和扁长回转椭球等几种不同形状的弹性体散射近场空间分布,再用近远场变换方法获取远场目标强度空间分布。模拟结果表明:目标强度的空间指向性是受声波入射方向、无量纲波数kL(k-波数,L-目标特征尺度)、目标形状、材料等影响;在本文所计算的几种不同形状目标的尺度和kL取值范围内,计算得到的收发分置目标强度空间分布均有显著的前向散射与镜反射特征。计算结果得到解析解和实验结果的印证,从而表明了FDTD法计算收发分置目标散射场的有效性。对接收信号采用相关处理方法,能有效地分离出目标前向散射信号,表明对于收发分置目标散射声强的测量,这是一种简单有效的分离目标前向散射信号的方法。      

水下圆柱壳结构表面振速插值方法及其辐射声场预测

提出一种圆柱壳表面速度的全局插值算法,表面速度函数周向采用Fourier级数、轴向采用分段Lagrange函数表示,利用圆柱壳结构表面有限位置处的测量数据,计算得到速度函数的级数展开式系数,然后对表面其它位置处的振速进行插值,避免了传统的局部插值和离散产生的误差。数值算例验证了该插值方法能通过有限点位置处的数据,获取连续光滑的表面速度分布,并能满足圆柱壳辐射声场预测的需求。进而,在实验条件下,使用该插值方法对双层圆柱壳水下辐射声场进行了预测,实验结果表明通过该插值方法得到壳体表面速度分布,利用快速边界元方法计算得到的预测声场与实测声场有很好的一致性,验证了该插值方法在圆柱壳辐射声场预测中的正确性和工程适用性。     

水下圆柱壳结构表面振速插值方法及其辐射声场预测

提出一种圆柱壳表面速度的全局插值算法,表面速度函数周向采用Fourier级数、轴向采用分段Lagrange函数表示,利用圆柱壳结构表面有限位置处的测量数据,计算得到速度函数的级数展开式系数,然后对表面其它位置处的振速进行插值,避免了传统的局部插值和离散产生的误差。数值算例验证了该插值方法能通过有限点位置处的数据,获取连续光滑的表面速度分布,并能满足圆柱壳辐射声场预测的需求。进而,在实验条件下,使用该插值方法对双层圆柱壳水下辐射声场进行了预测,实验结果表明通过该插值方法得到壳体表面速度分布,利用快速边界元方法计算得到的预测声场与实测声场有很好的一致性,验证了该插值方法在圆柱壳辐射声场预测中的正确性和工程适用性。      

利用声辐射模态重构任意目标的散射声场

水下目标散射声场的重构可以作为水下目标散射特性的研究基础。本文主要利用声辐射模态对水下目标进行散射声场重构研究。首先,在借助声传递矩阵给出的任意结构声辐射模态的流体域求解方法基础上,通过理论证明了目标的散射声压与声辐射模态具有函数关系。其次,借助声场分布模态的概念,同时考虑到声场分布模态病态及声压测量易受噪声污染,提出基于声辐射模态的正则化散射声场重构算法。仿真结果表明,波数越低,重构所需声辐射模态阶数越少,在较高波数时仅需总模态数的大约20%即可对声场进行重构。与基于边界元的声场重构算法相比,计算量减小了至少80%,且克服了赫姆霍兹积分方程最小二乘法仅对球壳结构的重构效果较好而不适用于长条形结构重构的缺陷。     

降低加肋双层圆柱壳辐射噪声线谱的结构声学设计

为降低双层圆柱壳辐射噪声线谱,从控制内壳振动响应和衰减壳间振动传递率进行结构声学设计。采用机械阻抗理论分析了环肋圆柱壳模态响应控制机理;由环肋振动方程推导分析了环肋径向机械阻抗特性;基于阻抗失配、波形转换原理提出一种阻抗加强环肋,分析了振动波阻抑特性;利用阻尼减振技术,综合考虑肋板的刚度、阻尼特性,设计了金属橡胶层叠肋板;结合数值计算实例,分析了设计双层壳模型的声辐射性能。结果表明:设计的双层加肋圆柱壳结构能有效降低辐射噪声线谱,在分析频段内辐射声压线谱平均降低约6.6 dB。研究结果对研制低噪声水下航行器具有良好的工程价值和应用前景。      

逆向傅里叶衍射定理快速预报水下目标三维声散射指向分布

提出逆向运用傅里叶衍射定理预报水下弱散射目标三维声散射指向分布的快速计算方法。依据目标形状、周围介质的密度和声速构建三维声场图像模型,建立散射远场积分结果与图像频域幅值的关系式,提取频域中半径为水中波数k;的球型表面上的幅值,获得精细化的宽带、全方位散射声压指向特性。数值计算表明:将傅里叶衍射定理逆向运用于解决声学正问题,适用于分层的、不均匀的、非规则及多体弱散射目标散射声场的求解。通过插值提取频域样本获得远场声压的方法,避免了有限元法(3D-FEM)所必须的大规模的网格划分和迭代运算,可以有效地减少计算成本并拓展散射频率响应的带宽。在水池中完成两种具有不同声学参数和形状目标指向性测试实验,得到散射声压指向性幅度函数与理论预报相一致。      

水中双层无限长圆柱壳体声散射

研究水下双层无限长圆柱壳体的声散射。采用弹性薄壳理论和Fourier变换方法导出了散射声场的解析解。并分别计算了平面波正横和斜入射单层和双层无限长圆柱壳体的远场散射形态函数。计算表明在不同的入射角,由于不同类型的弹性波被激励,散射波呈现不同的特性。通常双层无限长圆柱壳体的散射特性由外壳、内壳和中间耦合水层共同作用决定。但外壳很薄、内壳较厚、水层较薄时,无限长充水双层圆柱壳体的低频散射特性主要由单层内壳决定。当然这时外壳的共振特性也不能忽略。     

双层加肋球壳回波现象分析

双层加肋壳体是水下目标的典型结构。实验观测到双层加肋球壳回波的频率-角度谱在角度域呈现强烈的周期性振荡,在2 kHz～10 kHz频率范围内,这种振荡从低频到高频越来越明显。为了解释所观测到的现象,利用修正的板块元算法(Modified PEM)计算了不同入射角、不同频率下双层加肋球壳的回波,并与实验结果进行了对比分析。结果表明,目标强度随入射角的周期性剧烈起伏主要是由壳间肋板声散射导致的。     

环筋对水下平底圆柱壳的声振特性影响

本文建立了计算两端带平底板的有限长圆柱壳水中声辐射的FEM／BEM三维模型，探索了加筋的高度、宽度、数目对平底圆柱壳的辐射功率、辐射效率、法向声强、声场指向性的影响规律。计算方法是在有限元软件ANSYS中做加筋平底圆柱壳建模、模态分析基础上，将有关数据（网格、模态）导入边界元软件SYSNOISE中计算流体结构耦合状态下的辐射声场特性。结果表明：（1）随着环筋高度、宽度增大，激励点声压峰和法向声强峰在0-400Hz频率范围内数目减少且峰向高频方向移动，同时辐射声功率在减小（除个别模态峰值外），而辐射效率随筋高增大而增大。（2）环筋数目的增加使激励点辐射声压和法向声强峰数目明显减少，使辐射声功率明显低于无筋圆柱壳的辐射声功率，辐射效率随环筋数目增大而增大。（3）环筋宽度变化对声场指向性影响不大；圆柱壳声场指向性随环筋高度和数目增加出现较大变化，尤其是在研究的频段内的f=51Hz和f=301Hz上。这对于水下结构辐射噪声预报以及噪声抑制具有重要意义。     

内部体积源作用下的圆柱壳内外声场特性

圆柱壳内各型体积源辐射噪声特性研究是声场建模和声场预报的前提.为了研究具有指向性的大尺度体积源特性对水下航行器结构内外声场的影响,本文结合薄壳理论、等效源和柱腔Green函数构造了体积源激励下的壳体振动耦合方程,研究了体积源表面声散射作用和指向性强弱对圆柱壳内外声场的影响.数值计算结果表明,体积源构造的准确性与其等效源位置有关,等效源配置在体积源几何中心与其结构表面之间0.4—0.6时,可以提高声场计算结果的准确性;大尺度体积源表面的声散射作用会导致壳体内部声场结构发生改变,内声场声腔共振峰发生偏移,并且在部分频段引起较强的声透射现象;此外,体积源指向性变化对壳体内外声场强弱影响较小,其显著作用表现在改变了外辐射声场的远场指向性.该研究结果对噪声预报和控制有一定的参考价值.     

周期性加隔板有限长圆柱壳声散射

研究内部真空周期性加隔板圆柱壳在水中的声散射特性.壳体振动用薄壳理论的Donnell方程描述,隔板振动用相互独立的薄板纯弯曲振动和平面应力状态下的振动方程描述.考虑轴向、切向、径向三个方向的力和弯矩共同作用导出了散射声场的解析表达式.数值计算给出远场收发合置情况下的角度-频率谱图,并据此进行机理分析.通过与内部周期性加环肋圆柱壳声散射的角度-频率谱图比较发现,除周期加肋产生的Bragg散射波与弯曲Bloch-Floquet波外,加隔板的情况还存在明显的隔板共振亮线,并且发生隔板共振与壳体弹性波、Bragg散射波、弯曲Bloch-Floquet波耦合的现象.通过实验对理论进行了验证,在实验的频率范围内,Bragg散射亮线与理论符合得很好,部分Bloch-Floquet波散射亮线和隔板共振散射亮线也与理论符合.     

水下双层圆柱壳体结构辐射噪声实时预报方法研究

根据Sommerfeld辐射条件和统计能量假设定义了具有方向性特征的声辐射系数,再结合声辐射效率特性定义了新的参数声辐射因子。在外壳体表面速度实时重构理论基础上提出了用声辐射因子实现水下双层圆柱壳体结构辐射噪声实时预报的方法,还提出了有限长水下圆柱壳体结构声辐射因子的试验测量方法。水下声学试验研究表明该方法预报的辐射声压与实测值吻合较好,能满足水下噪声预报的实时性、远场指向性和工况适应性等计算要求。      

收发分置水下目标声散射特性的实验研究

本文对收发分置情况下,某潜艇模型的声散射特性进行了理论分析和实验研究。在声源、目标和接收机之间呈复杂的三角形关系条件下,找到了目标强度与入射角、分置角之间的关系。通过理论计算和水地测试,验证了理论的正确性。该研究成果可直接应用于收发分置的双基地或多基地水声探测系统。     

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.     

考虑遮挡和二次散射的修正板块元算法

对外部加环肋圆柱壳体的声散射研究表明,部件之间的互散射(二次散射)对反向散射声场有重要贡献.本文在板块元算法基础上,加入对遮挡和二次散射的判段,得到修正的板块元算法.通过计算外部加环肋圆柱壳体的目标强度,展现了二次散射和遮挡效应在不同角度的交替作用;而在考虑透射效应后,在高频段和低频段呈现出不同的效果.修正板块元计算结...     

三弹性圆柱壳体多重耦合声辐射计算方法

为研究多圆柱壳组合结构的声辐射特性,采用模态叠加法建立了3个并排无限长弹性圆柱壳的振动声散射耦合物理模型,充分考虑了三圆柱壳的表面振动与散射声场的耦合,其中散射声场可分解为各圆柱壳刚性散射声场和弹性辐射声场的叠加,数学上将各壳间的声场耦合关系通过柱函数加法公式描述。利用该物理模型,分析了多重散射对稳态声场求解结果的影响,比较了三圆柱壳耦合系统与单个圆柱壳系统的辐射声场指向性、声压级及辐射声功率级的差异及其产生机理,结果表明:结构弹性耦合声辐射不仅在低频对总声场有显著影响,在高频范围也不可忽略;另外,针对本文设定参数的组合圆柱壳,在150 Hz以上频段,两旁圆柱壳对中间圆柱壳在正横方位产生了声辐射遮蔽效应,垂直方位则体现声泄漏作用。本文建立的方法可推广到三维空间任意多壳结构的声振耦合建模。      

水下环形凹槽圆柱体散射声场空间指向性调控

本文提出一种具有深度梯度的环形凹槽结构,可用于调控水中有限长刚性圆柱体散射声场空间指向性.基于声学相位阵列理论分析了环形凹槽圆柱声散射空间指向性改变的机理,研究表明:凹槽深度方向相位延迟和凹槽间Bragg散射的相互作用使得平面声波垂直于圆柱方向入射其正横方向散射声波发生偏转.采用有限元方法讨论了凹槽结构参数如占空比、梯度等对圆柱散射声场空间分布特征的影响规律.多个不同深度梯度环形凹槽单元组合圆柱体散射声场数值计算和实验结果显示:具有环形凹槽结构圆柱体正横方向散射声波均匀偏转到预定的空间范围内,使得圆柱体声散射场空间指向性均衡化,改变了圆柱整体的散射特征,这为水下目标声隐身设计和声波定向传播提供了新的方法.