一种水下目标收发分置声目标强度快速计算方法
发布时间：2022-01-08 12:59
随着多基地主动声纳探测技术的迅猛发展,水下大尺度目标收发分置声目标强度预报方法备受关注。由于传统边界元/有限元面临着计算速度慢的瓶颈问题,本文提出了一种收发分置声目标强度快速计算方法。通过引入满足结构表面刚性边界条件的格林函数,将收发分置声散射问题转化为声传递向量计算问题,借助声传递向量的近似计算实现了收发分置目标强度的快速计算。相对于Kirchhoff近似方法,该方法在大分置角计算时具备较高的预报精度;相对于边界元、有限元等数值方法,该方法在计算速度上具备显著优势。数值仿真表明,该方法是有效的、可行的。
【文章来源】：船舶力学. 2020,24(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
散射声场图例Fig.1Schematicofscatteredsoundfield(3))=件
）式便可进行目标强度计算，该方法对目标的全表面进行积分，考虑了影区的贡献，因此，理论上在计算大分置角条件下收发分置声目标强度时也较为准确。进行数值计算时，首先将目标表面离散为面单元S1，S2，…，SN为保证计算精度，以计算频率对应波长的1/6为最大尺寸进行网格剖分；然后计算每个面单元Si对应的声传递向量T()?r,?rS，附录A中给出了平面、球形、圆柱形三种规则形状目标对应的声传递向量T()?r,?rS级数解公式。对于非规则的面单元，如图2所示，若该面单元所处曲面主曲率?p、?q大小近似相等，则以球形目标的球冠单元（附录公式（A2））替代作近似计算；如果主曲率?p、?q相差较大，则取无限长圆柱上面单元（附录公式（A3））替代作近似计算。因此，在计算非规则目标声目标强度时会产生一定误差。在入射势函数已知的条件下，计算各离散面单元Si对应的入射声场法向振速vi()?rSi;θi,φi；确定满足远场条件的观察点?r，则每个离散面单元对?r处的散射声压贡献为-||?rvi()?rSi;θi,φiT()?r,?rSi，对应式（7），数值计算中离散形式的声目标强度表达式可以写成：TS(θ),φ;θi,φi=20lg||||||∑i=1N||?rvi()?rSi;θi,φiT()?r,?rSi(8)M?p?q??N?t图2非规则面单元曲率示意图Fig.2Schematicofcurvatureofirregularsurfaceelement
BAzimuth/degree0306090120150180-30-20-1001020Analytic式（8）目标强度TS/dBAzimuth/degree（c）1000Hz（d）2000Hz图5刚性球不同仰角方向目标强度Fig.5Targetstrengthofrigidsphereindifferentazimuthangles但可以准确计算反向散射，前向散射的误差也非常校2.2球柱组合体的散射声场分析考虑刚性球柱组合体对平面波的散射，组合体中间圆柱高为3m、半径为0.3m，两端为半径0.5m的半球，圆柱的几何中心与坐标原点重合，中心轴与y轴重合，如图6所示。对组合体进行网格剖分，中间部分网格视为无限长圆柱上的微面元，参考附录中公式（A3）计算面单元相对于观察点的声传递向量，两端网格则视为球形目标上的面单元，参考附录中公式（A2）计算声传递向量。将观察点定于距原点100m处，图7给出了两种不同频率下收发合置的声目标强度结果，其中图7（a）为平面波沿x轴负向入射，即正横入射时的结果，图7（b）为水平方向沿45°方位角入射时的结果，入射方向参考图6。0400800120016002000-30-25-20-15-10-505目标强度TS/dB有限元结果式(8)Frequency/Hz0400800120016002000-50-40-30-20-10有限元结果式(8)目标强度TS/dBFrequency/Hz（a）正横入射（b）45°入射图7刚性球柱组合体不同频率散射声压Fig.7Scatteredsoundpressureofrigidsphere-and-cylinderassemblyatdifferentfrequencies理论上，计算球冠的声传递向量时面单元附近须为球形，柱状面单元附近须为连续圆柱，但由于球柱衔接处的不连续性，声目标强度结果会
【参考文献】：
期刊论文
[1]声呐目标回声特性预报的板块元方法[J]. 范军,汤渭霖,卓琳凯. 船舶力学. 2012(Z1)
[2]FEM-BEM耦合方法分析弹性目标的声散射问题[J]. 卓琳凯,范军,汤渭霖. 上海交通大学学报. 2009(08)
[3]一种辐射声场近似计算方法——单元辐射叠加法[J]. 王斌,汤渭霖,范军. 声学学报(中文版). 2008(03)
[4]单/多基地声呐定位性能比较[J]. 张小凤,赵俊渭. 探测与控制学报. 2003(03)
[5]用物理声学方法计算非硬表面的声散射[J]. 汤渭霖. 声学学报. 1993(01)
博士论文
[1]快速多极边界元与有限元耦合分析结构声学敏感度的算法研究[D]. 陈磊磊.中国科学技术大学 2014
[2]双/多基地声呐定位及目标特性研究[D]. 张小凤.西北工业大学 2003
本文编号：3576602
【文章来源】：船舶力学. 2020,24(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
散射声场图例Fig.1Schematicofscatteredsoundfield(3))=件
）式便可进行目标强度计算，该方法对目标的全表面进行积分，考虑了影区的贡献，因此，理论上在计算大分置角条件下收发分置声目标强度时也较为准确。进行数值计算时，首先将目标表面离散为面单元S1，S2，…，SN为保证计算精度，以计算频率对应波长的1/6为最大尺寸进行网格剖分；然后计算每个面单元Si对应的声传递向量T()?r,?rS，附录A中给出了平面、球形、圆柱形三种规则形状目标对应的声传递向量T()?r,?rS级数解公式。对于非规则的面单元，如图2所示，若该面单元所处曲面主曲率?p、?q大小近似相等，则以球形目标的球冠单元（附录公式（A2））替代作近似计算；如果主曲率?p、?q相差较大，则取无限长圆柱上面单元（附录公式（A3））替代作近似计算。因此，在计算非规则目标声目标强度时会产生一定误差。在入射势函数已知的条件下，计算各离散面单元Si对应的入射声场法向振速vi()?rSi;θi,φi；确定满足远场条件的观察点?r，则每个离散面单元对?r处的散射声压贡献为-||?rvi()?rSi;θi,φiT()?r,?rSi，对应式（7），数值计算中离散形式的声目标强度表达式可以写成：TS(θ),φ;θi,φi=20lg||||||∑i=1N||?rvi()?rSi;θi,φiT()?r,?rSi(8)M?p?q??N?t图2非规则面单元曲率示意图Fig.2Schematicofcurvatureofirregularsurfaceelement
BAzimuth/degree0306090120150180-30-20-1001020Analytic式（8）目标强度TS/dBAzimuth/degree（c）1000Hz（d）2000Hz图5刚性球不同仰角方向目标强度Fig.5Targetstrengthofrigidsphereindifferentazimuthangles但可以准确计算反向散射，前向散射的误差也非常校2.2球柱组合体的散射声场分析考虑刚性球柱组合体对平面波的散射，组合体中间圆柱高为3m、半径为0.3m，两端为半径0.5m的半球，圆柱的几何中心与坐标原点重合，中心轴与y轴重合，如图6所示。对组合体进行网格剖分，中间部分网格视为无限长圆柱上的微面元，参考附录中公式（A3）计算面单元相对于观察点的声传递向量，两端网格则视为球形目标上的面单元，参考附录中公式（A2）计算声传递向量。将观察点定于距原点100m处，图7给出了两种不同频率下收发合置的声目标强度结果，其中图7（a）为平面波沿x轴负向入射，即正横入射时的结果，图7（b）为水平方向沿45°方位角入射时的结果，入射方向参考图6。0400800120016002000-30-25-20-15-10-505目标强度TS/dB有限元结果式(8)Frequency/Hz0400800120016002000-50-40-30-20-10有限元结果式(8)目标强度TS/dBFrequency/Hz（a）正横入射（b）45°入射图7刚性球柱组合体不同频率散射声压Fig.7Scatteredsoundpressureofrigidsphere-and-cylinderassemblyatdifferentfrequencies理论上，计算球冠的声传递向量时面单元附近须为球形，柱状面单元附近须为连续圆柱，但由于球柱衔接处的不连续性，声目标强度结果会
【参考文献】：
期刊论文
[1]声呐目标回声特性预报的板块元方法[J]. 范军,汤渭霖,卓琳凯. 船舶力学. 2012(Z1)
[2]FEM-BEM耦合方法分析弹性目标的声散射问题[J]. 卓琳凯,范军,汤渭霖. 上海交通大学学报. 2009(08)
[3]一种辐射声场近似计算方法——单元辐射叠加法[J]. 王斌,汤渭霖,范军. 声学学报(中文版). 2008(03)
[4]单/多基地声呐定位性能比较[J]. 张小凤,赵俊渭. 探测与控制学报. 2003(03)
[5]用物理声学方法计算非硬表面的声散射[J]. 汤渭霖. 声学学报. 1993(01)
博士论文
[1]快速多极边界元与有限元耦合分析结构声学敏感度的算法研究[D]. 陈磊磊.中国科学技术大学 2014
[2]双/多基地声呐定位及目标特性研究[D]. 张小凤.西北工业大学 2003
本文编号：3576602
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