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.     

自由场结构体声辐射研究

结构体振动与其辐射的噪声之间存在着一种定量关系．本文从自由场结构体声辐射的理论公式──自由场Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ积分方程入手，然后采用边界元法（ＢＥＭ）离散积分方程，通过任意形状结构体表面弹性振动的速度场，来计算其向外辐射的声场，从而达到有效地预测其声场特性的目的．     

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。     

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。     

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而急剧增大,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,本文以逐层离散、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。     

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.     

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。      

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．     

等效原理和互易性定理在两个相邻球形目标电磁散射中的应用

基于等效原理和互易性定理研究了两个相邻目标的电磁散射问题，给出了这一复合电磁散射模型的二阶散射结果. 通常平面入射波的一阶散射结果容易求解，但由于耦合效应的复杂性，很难给出二阶散射结果的解析形式. 应用互易性定理给出了求解任意相邻导体/介质目标二阶电磁散射场的公式，并利用等效原理将求解散射场公式中的体积分简化为面积分的形式，从而降低了求解难度. 同时还推导了两个目标的二次散射场之间的关系. 最后应用给出的公式，求解了两相邻球形目标的复合散射场，对双站散射结果进行了讨论，同时与应用时域积分方程法求得的结果进行了比较. 关键词： 等效原理 互易性定理 电磁散射 相邻圆球     

采用球面波叠加法还原自由声场的方法

为解决非自由声场中近场声全息重建时,干扰声在目标声源表面产生的散射影响,提出一种基于球面波叠加法的自由场还原技术。该技术首先采用基于球面波叠加法的声场分离技术获得向内和向外传播的声场,然后以目标声源的表面导纳作为边界条件,实现目标声源辐射声和散射声的分离,从而获得等效于自由声场的测量条件。该技术为准确实现非自由声场中的噪声源识别创造了条件。文中首先详细描述了该技术的基本原理,并提出一种最优球面波展开项数选取方法,最后通过数值仿真说明了该技术的有效性。结果表明:在频率较低时,散射声影响较小,采用声场分离技术和自由场还原技术效果相当;但随着频率升高,散射声影响逐步增强,必须采用自由场还原技术才能准确获得目标声源辐射声。      

高频电磁波多次散射的数值求解

结合等效射线管模型和物理光学法实现了复杂目标高频电磁波多次散射高效且精确的数值求解.在求解射线管的电磁场积分中，选取物体表面为积分区域，详细推导了在物体表面完成的远场积分公式，数值计算结果比前人沿射线管波前积分更精确.计算了几种由平板构成的导体和涂覆介质目标，数值求解结果与已有的实验数据相当符合.该结果可为复杂目标的雷达探测和识别提供理论参考. 关键词： 电磁散射 电磁场积分方程 物理光学法     

水下三弹性柱壳耦合声散射特性研究

为研究3个并排无限长弹性圆柱壳受垂直于柱轴方向的平面声波作用的声散射特性,采用Fourier级数展开法建立了圆柱壳声散射数学物理模型,考虑了三圆柱壳弹性振动声辐射和刚性声散射,建立了3个壳体辐射声场和刚性散射声场的耦合作用关系,比对了等效散射强度的刚性散射分量与弹性散射分量,并分析了三壳体等效散射强度特性。计算结果表明:当ka₂>40,在频率f=3000 Hz以上频段,弹性分量对等效散射强度变化趋势的贡献可以忽略。当ka₂>30,在频率f=2400 Hz以上频段,弹性散射分量对等效散射强度影响不超过3 dB;三壳与单壳的等效散射强度在0°入射角方位相当,其它方位三壳体等效散射强度明显大于单壳体。本文的理论公式可推广到任意数量阻抗柱的声透射和声反射问题。      

浅海波导中目标散射的简正波-Kirchhoff近似混合方法

提出了计算浅海波导中复杂目标散射的数值方法:简正波-Kirchhoff近似混合方法。通过把目标散射的Kirchhoff近似方法和简正波声传播模型相结合,可对大尺寸复杂目标在浅海波导中的散射声场进行计算。以浅海波导中刚性球体散射的解析解为标准解验证了本方法,说明简正波-Kirchhoff近似混合方法是有一定计算精度的工程预报方法。数值计算Pekeris浅海波导中球体目标散射声场在深度-频率平面和距离-频率平面上的二维干涉结构及其与自由空间中的差异。进而通过FFT获得目标时域回波随深度的分布图,分析浅海波导中目标姿态、声速剖面对Benchmark潜艇目标散射的影响。      

准周期加隔板有限长圆柱壳声散射

研究准周期加隔板有限长圆柱壳在水中的声散射特性,隔板位置存在小的随机偏差.首先给出理论推导,通过计算周期加隔板情况验证理论公式的正确性.然后以角度-频率谱形式给出准周期加隔板圆柱壳声散射计算结果.计算表明隔板的准周期性导致Bloch-Floquet弯曲波和散射声场背景出现扩散和增强现象,而近乎平行于横轴的由隔板共振引起的亮条纹被散射声场背景所掩盖.最后讨论了随机因子、隔板个数以及隔板间距对Bragg散射的影响.计算表明随机因子越大Bragg散射条纹的频率范围越宽扩散越明显,隔板个数越多Bragg散射条纹的频率范围越窄能量越集中,隔板间距变大时Bragg散射条纹增多而且越高阶次的Bragg散射条纹扩散越严重.根据Bragg散射的几何特征导出的近似估算公式可以较准确预报Bragg散射在频谱图上的位置,也可以大致预报隔板准周期排列时Bragg散射的扩散现象.     

基于声粒子分布积分的无网格声场计算方法

小尺度封闭空间内部声场的数值计算是声学设计、噪声控制等领域的关键技术。由于波动声学及几何声学方法计算频率上的限制,中频段声场计算问题一直是个难点。本文以声学无网格法为基础,提出了一种基于声粒子分布积分的无网格声场数值计算方法。文中利用声线跟踪理论计算声场中的声粒子分布,并以某个时间点上的声粒子作为蒙特卡罗法中的积分点,将其应用于无网格法中,从而获得声场中的节点声压。利用该方法对一个矩形封闭空间的中低频声场进行了计算,并与模态叠加法、商用声场计算软件、经典无网格法的结果进行了对比,证明基于声粒子分布积分的无网格声场数值计算方法在中低频段相较于传统基于网格的方法具有更高的精度。     

两个相邻目标对平面波、高斯波束的光散射

基于等效原理和互易性定理研究了两个靠近目标对平面波、高斯波束的光散射问题,给出了这一复合光散射模型的二阶散射结果。通常一阶散射结果容易求解,但由于耦合效应的复杂性,很难给出二阶散射结果的解析形式。为了解决这一问题,应用互易性定理给出了求解任意相邻介质目标二阶散射场的公式,同时借助等效原理将求解散射场公式中的体积分简化为面积分的形式,从而降低了求解难度。求解了两相邻球形粒子的复合散射场,并将求解结果与应用时域积分方程法求得的结果进行了比较。同时,还讨论了束腰半径、目标位置对散射截面及偏振度的影响。     

边界积分方程法求解目标的声散射T矩阵

提出了计算任意表面形状刚性边界目标散射的基于边界积分方程的T矩阵方法(TMM-BIE).利用Helmholtz积分方程法(HIEM)计算目标表面声场,替代扩展边界法(EBCM)计算中对目标表面声场的近似处理,解决了扩展边界法不能计算任意形状目标的散射T矩阵问题.文中计算了刚性边界的球目标、有限长圆柱目标以及非对称的三维散射体-猫眼(cat's-eye)模型的散射指向性和T矩阵.通过与解析解和HIEM结果比较,证明该方法的有效性.     

边界元法计算已知振速封闭面的声辐射

采用边界元法求解封闭面在无限域声媒质中的辐射声场具有内存小、计算精度高、速度快等优点。但需处理被积函数在边界面上的奇异积分及表面Helmholtz方程在特征频率下无唯一解的问题。本文提出把内部Helmholtz方程与它关于内点坐标取导后的式子构成补充方程式,经与表面Helmholtz方程相结合,可求解任意频率下的声辐射问题;而在奇点附近区域,则提出用极坐标变换消除积分的奇异性。文中以轴对称形封闭面为例,计算了具有已知表面振速分布下的辐射声场。     

锅炉声波除灰的声学分析

声波除灰技术是提高锅炉换热效率、保证锅炉安全运行的重要手段之一,早在９０年代初就已经在国内外工业锅炉上推广应用,但是与之相关的多数基本问题目前还没有得到很好的解决,成为制约技术发展和应用的重要障碍［１］。本文采用Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ积分方程数值计算了锅炉换热器管排的声场散射问题,得到了管束表面及管排周围的声场分布特性,针对除灰要求进行了声学分析,对当前声波除灰技术的发展及应用均具有实际意义。