聲誘餌簡化模型隔離度數(shù)值仿真計算

徐盛瀛 劉雨東

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108）

隨著魚雷目標識別和反對抗技術(shù)的不斷發(fā)展，對于聲誘餌系統(tǒng)的性能要求也日益增高。采用實時收發(fā)技術(shù)，即邊收邊發(fā)技術(shù)可以有效減少轉(zhuǎn)發(fā)信號的時延，提高聲誘餌系統(tǒng)的模擬逼真度。所謂邊收邊發(fā)技術(shù)，是指聲誘餌系統(tǒng)在發(fā)射模擬己方艦艇輻射噪聲以及魚雷主動尋的信號模擬回波的同時，可以不間斷地對魚雷主動尋的信號或輻射噪聲進行檢測和估計[1]。實現(xiàn)此技術(shù)的難點在于如何減小聲誘餌發(fā)射端對于接收端的干擾，即如何增大聲誘餌發(fā)射端和接收端的聲隔離度。

聲隔離度的定義為聲學系統(tǒng)中的接收端信號與發(fā)射端信號的差值[2]。根據(jù)以往的經(jīng)驗，增大隔離度的主要方式為增加發(fā)射端與接收端距離的空間隔離、設(shè)計利用接收和發(fā)射換能器的指向性隔離、利用聲障板結(jié)構(gòu)進行隔離以及發(fā)射信號的自適應抵消等[3]。此外，隨著對吸聲材料的深入研究，也可以考慮采用在聲誘餌發(fā)射端或接收端敷設(shè)吸聲材料的方式進行隔離度的改善。

盧笛[4]利用非軸對稱激勵軸對稱結(jié)構(gòu)聲輻射或聲散射有限元數(shù)值分析方法[5]，建立了數(shù)值計算模型。由于簡化后的聲誘餌模型具有二維軸對稱結(jié)構(gòu)，因此本文在此基礎(chǔ)上，利用COMSOL Multiphysics多物理場耦合軟件建立了簡化聲誘餌隔離度二維軸對稱數(shù)值計算模型，主要對發(fā)射端與接收端的空間衰減、在發(fā)射端或接收端敷設(shè)吸聲材料以及聲誘餌內(nèi)部存在艙壁板結(jié)構(gòu)等情況下，對聲誘餌系統(tǒng)隔離度的影響進行了計算，并對結(jié)果進行了簡要分析。

1 數(shù)值仿真模型

1.1 球形聲源數(shù)值計算模型

由于聲誘餌系統(tǒng)發(fā)射信號可近似等效為球面波，因此首先建立球形聲源的數(shù)值計算模型。均勻球面波聲場中任意一點聲壓與振源表面振速的關(guān)系為[6]

利用式（1），計算半徑為0.05 m、表面聲壓為1 Pa的球形聲源聲場，結(jié)果如圖1所示，圖中的扇形區(qū)域為距離聲源中心處3 m的波陣面。分別計算距離聲源中心1 m、2 m和3 m處的聲壓級，結(jié)果如表1所示，數(shù)據(jù)符合球面波衰減規(guī)律。

圖1 球形聲源聲場計算結(jié)果

表1 球形聲源聲場聲壓級計算結(jié)果

1.2 簡化聲誘餌二維軸對稱數(shù)值計算模型

依據(jù)文獻[4]中的方法，建立簡化聲誘餌模型的二維軸對稱數(shù)值計算模型。模型示意圖如2所示，聲誘餌總長度為3 m，殼體厚度10 mm，材料為鋁。發(fā)射換能器等效的球形聲源位于聲誘餌尾部正下方，為一半徑0.05 m的小球，表面聲壓大小為1 Pa。計算頻率為10 kHz，聲誘餌系統(tǒng)的接收端位于聲誘餌模型頭部。

圖2 簡化聲誘餌模型示意圖

首先計算聲誘餌系統(tǒng)發(fā)射端與接收端的空間衰減產(chǎn)生的隔離度。計算發(fā)射換能器分別距離聲誘餌尾部0.1 m、0.5 m和1 m，即聲誘餌系統(tǒng)發(fā)射端與接收端分別距離3.1 m、3.5 m和4 m時，聲誘餌接收端的聲壓級，結(jié)果如表2所示。

表2 收發(fā)端距變化時接收端聲壓級計算結(jié)果

根據(jù)表2的計算結(jié)果，由于聲誘餌受到球面波激勵，殼體產(chǎn)生的振動會使其表面處的聲壓級大于無聲誘餌存在時該點的聲壓級；隨著發(fā)射換能器與聲誘餌尾部距離的增大，聲波的空間衰減逐漸增大，接收端聲壓級逐漸減小。

計算在聲誘餌表面敷設(shè)吸聲材料時對接收端聲壓級的影響，吸聲材料的敷設(shè)示意圖如圖3所示。分別計算發(fā)射換能器與聲誘餌尾部距離0.1 m時，僅在聲誘餌頭部、尾部及頭尾部均敷設(shè)吸聲材料三種情況下，接收端的聲壓級大小，敷設(shè)吸聲材料的厚度為10 mm，計算結(jié)果如表3所示。

對比表2和表3的計算結(jié)果可以看出，在聲誘餌表面敷設(shè)吸聲材料可以增大聲誘餌的隔離度；僅在聲誘餌頭部敷設(shè)吸聲材料的聲隔離效果比僅在尾部敷設(shè)時效果明顯；同時敷設(shè)的聲隔離效果比單獨敷設(shè)的效果更明顯。

圖3 聲誘餌模型敷設(shè)吸聲材料示意圖

表3 敷設(shè)吸聲材料時接收端聲壓級計算結(jié)果

接下來計算在聲誘餌內(nèi)部增加艙壁板時對于聲誘餌隔離度的影響。艙壁板厚度為10 mm，與聲誘餌殼體厚度相同，計算在聲誘餌內(nèi)部分別增加一個、兩個和三個艙壁板時聲誘餌的隔離度，內(nèi)部增加艙壁板時的聲誘餌示意圖及計算結(jié)果見圖4和表4。

圖4 聲誘餌內(nèi)部加艙壁板示意圖

表4 內(nèi)部加艙壁板時接收端聲壓級計算結(jié)果

根據(jù)表4的計算結(jié)果，當僅增加一個艙壁板時，由于艙壁板的振動，會導致聲誘餌接收端的聲壓級比無艙壁板時略有增加，但隨著艙壁板數(shù)量的增加，球面波激勵的負載逐漸增大，會使聲誘餌接收端的聲壓級逐漸減小。

2 計算結(jié)果對比

對簡化聲誘餌模型隔離度的計算結(jié)果進行比較。選取未敷設(shè)吸聲材料、內(nèi)部無艙壁板、發(fā)射換能器距離聲誘餌尾部0.1 m時，聲誘餌接收端聲壓級作為參考值SPLref，計算其他情況下的聲誘餌接收端聲壓級SPL與SPLref的差值Δ，即

由式（2）可知，Δ越小，聲誘餌系統(tǒng)的隔離度越大；當Δ＜0時，聲誘餌系統(tǒng)的隔離度得到改善，當Δ≥0，聲誘餌系統(tǒng)的隔離度沒有改善。計算結(jié)果如表5所示。

表5 不同情況下聲誘餌接收端聲壓級對比

根據(jù)表5的計算結(jié)果，可以直觀地看出，隨著發(fā)射換能器與聲誘餌尾部距離的逐漸增大，Δ越來越小，即聲隔離度越來越大；與單獨敷設(shè)相比，同時在聲誘餌頭部和尾部敷設(shè)吸聲材料時的Δ更小，聲隔離效果更好；僅在聲誘餌內(nèi)部增加一個艙壁板時，Δ＞0，即聲誘餌隔離度沒有改善，但隨著艙壁板數(shù)量的增加，Δ逐漸減小，聲隔離度增加并改善。

3 結(jié)論

本文利用COMSOL Multiphysics多物理場耦合軟件建立了簡化聲誘餌隔離度二維軸對稱數(shù)值計算模型，計算頻率f=10 kHz時，在三種情況下對聲誘餌系統(tǒng)的隔離度進行了計算。得到結(jié)論：

（1）隨著發(fā)射換能器與聲誘餌間距離的增大，聲波的空間衰減增大，聲誘餌系統(tǒng)的隔離度會增加；

（2）在聲誘餌表面敷設(shè)吸聲材料可以增加聲誘餌系統(tǒng)的隔離度，在聲誘餌頭部敷設(shè)比在尾部敷設(shè)效果明顯，頭部和尾部同時敷設(shè)比單獨敷設(shè)的效果明顯；

（3）當聲誘餌系統(tǒng)內(nèi)部存在數(shù)量大于1的艙壁板時，可以增大隔離度，且隨著艙壁板數(shù)量的增加，隔離度也增大。