浅海信道环境下弹性结构辐射声场测量方法研究

发布时间：2020-07-12 10:32

【摘要】：舰船的辐射噪声是评估其隐蔽性的重要特征,也是评估其降噪效果和理论验证计算的重要参数,辐射噪声测量结果可以对舰船的设计与改进提供重要参考。但是在浅海环境下,由于边界产生的多径干涉对测量的影响十分严重,使测量结果不够准确,因此研究浅海环境下结构的辐射声场测量方法势在必行。本文针对水下弹性结构辐射声功率和声场声压的测量问题,提出使用阵列波束形成的方法对信道中的声场进行滤波处理,提高测量精度。借助了结构有限元建模、声学有限元分析以及多种前后处理软件,分别在硬海底信道、Pekeris海底信道和弹性海底信道环境下,建立了点源、球壳和圆柱壳结构的声学有限元模型,进行了不同环境下不同结构的辐射声场仿真计算。并进行了垂直阵和异型阵的波束形成特性研究,以及不同波束形成方法对信道边界干涉的滤波能力分析。针对垂直阵,使用常规波束形成、切比雪夫波束形成和最低旁瓣波束形成进行滤波,异型阵使用常规波束形成进行滤波,仿真结果表明,两种阵型的波束形成方法的滤波特性都可以有效的消除边界带来的影响,验证了将阵列波束形成方法应用于信道环境下的辐射声功率和声场声压测量的可行性。本文针对垂直阵与异型阵波束形成的测量方法进行了实验分析,设计制作了异型测量阵,在信道水池和消声水池对组合球形声源的辐射声场进行了测量实验,实验结果验证了可以采用垂直阵与异型阵波束形成方法进行弹性结构在信道中的辐射声场测量。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.7;U661.44
【图文】：

深度图,浅海传播,声线图,地中海

图2.1 所示为 100 米深的浅海声传播的声线图，声源位于中间深度为 50 米处，海水中有一个暖表面层，使声线向下折射，所以声线都反复与海底作用。由于海底是有损边界，在小于 1kHz，即中低频时，浅海传播主要受海底反射损失的控制，在高频时，浅海传播主要受散射损失控制。从左边的声速-深度图可以看出随着海水深度的增加，声速逐渐变小，并趋于稳定。图 2.1 地中海夏季的浅海传播声线图所有的浅海信道都有一个共同的特性，即低频截止的问题。所有的信道都存在一个截止频率，当声源频率低于这个截止频率时

等值线图,浅海区,传播损失,频率

远程传播存在一个最佳频率。如图2.2 所示，80dB 的等值线在图（a）中在大约 400Hz 的频率上延伸的最远，在图（b）中在大约 200Hz 的频率上延伸的最远，即这两个频率在这两个浅海水域中是最佳传播频率。最佳频率是浅海信道传播的一般特征，它是高频和低频下传播机理和损失机理相互竞争的结果。在高频段，海水损耗和散射损耗随频率的升高而增大，在低频段，由于信道的截止现象，透入到海底的声能将会随着频率的降低而增加，从而使得海水中的声能减少。因此在高频和低频时，海水的衰减较大，中频时衰减较小。2.2 浅海中不同信道模型概述2.2.1 波动方程理想流体的波动方程可以由流体动力学和压强、密度之间的绝热关系导出。在假设液体为理想、均匀、静态、连续的情况下，通过质量守恒方程、欧拉方程和绝热状态方程可以推导出小振幅声波的三个基本方程：

阵波,圆柱阵,仿真模型

主瓣方向为 φ = π / 2,θ = π，使用常规波束形成方法，得到异型阵和圆柱阵的波束图，如图3.14 和图 3.15 所示。0111/mz2y/m0x/m30-1 -10111/mz2y/m0x/m30-1 -1图 3.12 异型阵仿真模型图 3.13 圆柱阵仿真模型

【参考文献】