水下目标回波特性计算的图形声学方法

根据Kirchhoff近似公式建立了一种水下目标回波特性实时工程预报的新方法-可视化图形声学计算方法GRACO (Graphical Acoustics Computing)。该方法利用三维图形处理系统,采用建模软件对水下复杂目标进行几何建模,并基于OpenGL技术把几何模型转化为屏幕上目标的可视化像素图形,获取像素中包含的目标表面法向量和空间距离信息,最后通过把回波特性预报中的面积分转化为屏幕上可视化图形的像素求和计算,完成水下目标回波特性预报。计算结果表明图形声学方法有较高的精度,计算速度比板块元方法快9-10倍。     

非刚性表面声呐目标回波的修正几何亮点模型

基于修正的Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ近似公式,本文提出了包括幅度、时延、相位跳变和局部平面波反射系数的非刚性表面声呐目标的修正四参数几何亮点模型。用原来的和修正的几何亮点模型对刚硬、裸露和敷设消声瓦的充水椭圆锥台壳体的目标强度进行了计算。结果表明原来的三参数几何亮点模型是在高频情况下未敷瓦壳体的一级近似。对于实际壳体,无论敷瓦还是未敷瓦都应采用修正的四参数几何亮点模型计算目标强度。     

大振幅平面声波的反射和折射(Ⅱ)——二维情况

在Lagrange坐标系中,根据流体力学的基本方程式,利用逐级近似法推导了计及二级近似的二维空间内平面波传播的波动方程式。以这组方程式为出发点分析了二层液态介质模型下,大振幅平面声波在平面分界面上的反射和折射。二级近似下的反射系数和透射系数不仅与介质的参数(包括非线性参数)有关,而且依赖于声源的位置。在斜投射时,一般而言,遵循线性声学反射和折射定律的二级近似反射波和折射波的波前上,波的幅度不再保持恒等。因之,除遵循线性声学反射和折射定律的二级近似反射波和折射波外,在其他方向上也有二级近似反射波和折射波。这个现象表明解释Muir等人的实验结果必须计及非线性效应。     

随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型

针对随机起伏冰面的声散射问题,建立了随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型。利用Delaunay三角剖分方法对随机起伏冰面进行三角面元剖分,然后采用Z-buffer算法进行面元的遮挡消隐,得到处于声波照射亮区的面元,最后采用Gordon面元积分的板块元方法计算得到随机起伏冰面的散射强度。数值计算模型中,将冰面认为是局部阻抗表面,直接代入起伏冰面局部反射系数进行散射声场的计算,避免了解析计算模型中对反射系数的近似处理。对比分析了数值和解析计算模型在小粗糙起伏冰面、大粗糙起伏冰面及不同声波入射角和不同声波频率时的散射强度。相比解析模型计算结果,数值模型计算结果与实测结果更吻合。      

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。      

超声平面波经颅成像相位校正方法*

超声平面波经颅成像时,由于颅骨对超声传播的影响引起图像质量下降,需要对颅骨造成的超声相位畸变进行校正。为此,该文研究了两种相位补偿方法:基于近似射线声学的理论方法和基于时间反转的数值计算方法,并利用数值仿真对比了两种方法的补偿和成像效果。结果表明:无论使用近似射线法还是时间反转法,都能够有效地校正因颅骨造成的相位畸变;时间反转法成像的精度和结果要好于近似射线法,但所需的计算资源和时间都要远远大于近似射线法;两种方法与平面波相干复合方法结合都能够一定程度上提高成像的对比度和分辨率。该研究结果为超声经颅脑成像方法研究和设备研发提供了理论指导和技术支持。     

一种新的水声无源材料声学性能测量装置

阐述了一种新的水声无源材料声学性能实验室测量装置,测量频率范围10－100kHz,最大静水压至3．0MPa,被测材料样品典型尺寸为300×300mm~2。装置应用多基元平面换能器基阵,大面积声透明PVDF薄膜水听器以及宽带窄脉冲信号和现代信号处理技术,在小型压力罐中建立近似的平面波自由声场,测量材料声学性能随频率、静水压的变化规律。测量参数包括复反射系数（口声降低）、复透射系数（插入损失）、衰减系数、复声阻抗和纵波声速。通过对多种不同性能材料样品的测量分析,验证了本装置的测量能力,装置的稳定性考核表明其反射测量扩展不确定度为1．2dB,透射测量扩展不确定度为0．8dB。     

修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算高斯起伏冰面三维声散射

针对随机起伏冰面的声散射计算问题,利用修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算了高斯起伏冰面的三维声散射。在计算模型中引入了冰面局部统计平均反射系数的概念,将二维高斯起伏冰面的散射分为相干散射和非相干散射,分别得到两类散射成分的散射系数公式,计算了高斯起伏冰面三维声散射的散射强度。分析了散射强度与随机起伏冰面的均方根高度、声波入射角度及频率的关系。通过实验室水池中高斯起伏冰面的散射强度测量实验,对理论模型的计算结果进行了验证。将实验结果分别与采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果和文献中采用平整冰面镜反射系数的模型计算结果进行了对比,采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果与实验测量值吻合较好。      

随机起伏表面引起的声音传播衰减

假设粗糙表面为具有正态概率分布的平稳随机过程,研究了平面波在不平表面上的散射,求得了平面波在随机起伏表面上的统计平均反射系数,指出与随机表面空间相关的联系。引出“等效反射面”概念,求得了具有起伏表面的分层介质中点声源发射情况下波场的一般表达式,从而建议了对多种实际水文条件下起伏水面所致声音传播的附加衰减问题的解决,并给出表面声道中各级简正波的附加衰减系数。     

声表面波机电耦合系数与短路金属栅阵的变分分析

本文给出一个变分表达式,它适用于自由表面和金属化表面上声表面波传播与散射分析。然后应用此表达式导出压电晶体材料声表面波机电耦合系数K~2作为材料常数函数的近似解析表达式。并进一步求解了短路金属栅阵在同步频率附近的波表面反射系数,给出其作为基底与金属膜材料常数和金属条几何参数函数的解析表达。结果特别指出了导致上述效应的各种物理机制间的相互关系。数值结果与实验结果相符,变分处理简化了数学过程而突出了其中物理规律。     

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。      

大振幅平面声波的反射和折射(Ⅰ)——一维情况

本文利用逐级近似法分析了大振幅平面声波正投射在分割二种不同介质的界面上时,声波在界面上发生反射和透射的特性.计算的结果表明在计及二级近似的情况下,二级反射波和透射波除有与一级反射系数和一级透射系数平方成正比的部分外,还有用二级反射系数和二级透射系数描述的反射波和透射波,这些波同二级入射波有一定的相移,相移的大小由二种介质的声学参数和非线性参数规定.本文所获得的结果可以用来阐明已在实验上取得的提高参量阵转换效率的理论依据.     

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。      

三维随机粗糙面上导体目标散射的解析-数值混合算法

提出三维导体目标与导体粗糙面复合散射的解析-数值混合迭代算法,推导出三维目标与粗糙面的耦合积分方程,以及粗糙面散射的Kirchhoff近似(KA)计算式.粗糙面的KA解析计算大大降低了粗糙面求解的复杂度,与目标矩量法的混合迭代保证了计算结果的精度,使得三维体-面目标复合散射计算变得可行.由于体-面两者的高阶耦合作用明显减小,保证了该混合迭代算法的收敛性.与镜像Green函数方法的比较表明该混合算法的有效性,并讨论了粗糙面长度选择对计算结果的影响.结合Monte-Carlo方法,数值分析了理想导体Gauss 关键词： 复合散射 Kirchhoff近似 共轭梯度法 互耦迭代     

软固态海底的复有效深度近似

引用Zhang和Tindle的更有效深度的概念；将Chapman提出的浅海Pekeris波导的海底（实）有效深度近似，推广到复有效深度近似，其实部和虚部分别反映平面波反射的相位变化和能量损失。通过对比计算表明：由复有效深度近似构成的均匀声场，能反映对应于小掠角的低号简正波的声学特性，有效地计算浅海远距离声场．有关结论可以推广到包含两层软固态海底的波导之中．     

蒙特卡洛法研究随机粗糙表面的光散射特性

本文采用蒙特卡洛(M-C)数值模拟,生成起伏高度满足高斯分布的随机粗糙表面。借助Kirchhoff近似,并在综合考虑辐射传输、光学及电磁学有关理论的基础上,利用M-C方法计算了符合高斯分布的一维随机粗糙表面的单次和多次光散射分布,模型结合射线追踪法考虑了粗糙表面的遮蔽效应。结果表明在考虑多次散射时,存在后向散射增强现象,该结论与实验结果相吻合,证明本文数值模拟方法的正确性。     

改进的二维分形模型在海面电磁散射中的应用

提出了一种改进的二维分形海面模型，其表面谱函数在空间波数小于基波波数及大于基波波数时分别满足正幂率关系和负幂率关系.通过比较可以发现在不同风速时，改进模型的空间自相关函数及表面轮廓谱和有关文献结果有较好的吻合.在满足Kirchhoff近似条件下推导了改进分形模型的散射系数及散射强度系数的计算公式并进行了数值计算，比较了改进模型和经典模型的后向散射强度系数角分布并详细讨论了它们随入射频率、海上风速和风向的变化. 关键词： 改进分形模型 粗糙海面 电磁散射 Kirchhoff近似     

粗糙表面激光散射特性的理论研究

用矢量微扰动方法分析激光束在粗糙表面上散射的分布特性。详细讨论高斯光束的角谱和适用于准直激光束散射问题的波前分割概念认为，当用入射总功率作归一化因子时，准直粗激光束散射可近似地作为平面波处理，而细激光束散射则与平面波存在很大的差异，利用所得结果讨论了一维粗糙表面的激光隐身作用及椭圆偏振光入射时镜反射方向和后向散射场的偏振态。最后介绍两种线偏振光在粗糙表面上散射分布的差异。实验验证了主要结论。     

浅海波导中目标回声计算的射线声学方法

建立一种基于虚源法和物理声学方法计算浅海波导中目标回声的射线声学方法。入射声线经过两个界面的多次反射有无限多条,每条入射声线由目标反射后又会产生无限多条到达接收点的声线。将各种组合的散射声场求和得到总的回波声场。用射线声学方法计算了Pekeris波导中半径10 m的绝对软球的回声随距离的变化。与已有文献中波动声学方法的计算结果对比,两者在平均值和下降趋势上符合。计算表明,波导中球和一些圆形目标的等效目标强度(ETS)与自由空间中目标强度(TS)差别很小。而像圆锥形这类目标的等效目标强度与自由空间中目标强度差别较大,导致传统的声呐方程误差较大。与波动声学方法相比,射线声学方法不但具有明确的物理意义,而且可以对浅海信道中复杂形状目标回声进行计算。      

利用优化算法分析分层结构障板的声学性能

根据水平分层介质的物理模型,分别以追求单一频率条件和给定频段条件下反射系数最小为目标,利用遗传算法对不同组合方式的水平分层介质的参数进行了优化。利用遗传算法的随机搜索特性,得到多组不同的物理参数。利用这些参数,对反射系数与结构及材料参数的依赖关系进行了分析。计算了分层结构中每一层的吸收贡献率,提出了阻抗比系数的概念。通过对比,分析了在不同频率条件下,不同水平分层结构对垂直入射平面波的吸收机理。对利用水平分层复合结构材料制作吸声障板可能达到的指标做了进一步的分析。结果表明,为得到较大的吸收系数,不同层间的阻抗比系数必须保持一定关系。