陈鑫，罗祎



水下刚性角反射器散射特性

陈鑫，罗祎

(海军工程大学兵器工程学院，湖北武汉 430033)

为了分析水下角反射器的声散射特性，提出了一种计算水下凹面目标散射声场的方法。采用ANSYS软件构建水下角反射器实体模型，再利用声学分析软件SYSNOISE对其远场散射声场进行仿真。计算了二面角反射器的目标强度，并与声束弹跳法和板块元法的计算结果进行对比，验证了该方法的适用性和精确性。对三面角反射器的散射特性进行了分析，得到了不同声波入射角度下的目标强度、目标强度随频率的变化规律以及散射方向图，结果表明，正方形角反射器的目标强度最大，三角形角反射器的散射宽度最大，角反射器目标强度不存在明显的频率效应。计算了八面角反射体的方向图，计算结果表明角反射器组合可以有效增大目标强度和散射宽度。

边界元法；角反射器；散射声场；目标强度

0 引言

水下角反射器通常由三块相互垂直的平板组成，其作用是使入射声波在一定空间范围内聚集，并沿入射方向反射回去，因此当声波从一定角度范围入射时具有较大目标强度。水下角反射器作为一种无源声反射装置，在民用中可应用于标记渔网、管道和线缆等水下结构；在军事中可制成无源干扰装置，模拟水雷、潜艇等水下目标[1]，对抗主动声呐；也可制成靶标，用于军事训练。因此对水下角反射器的声散射特性开展研究具有重要意义。

由于水下角反射器存在凹面，在求解其声散射特性时必须考虑声波在其内侧的多次反射。经典的求解水下目标声散射问题的方法如物理声学法、板块元法[2-3]等并没有考虑声波的多次反射，无法有效计算凹面体目标的散射声场。陈文剑等[4-5]提出了求解水下凹面体散射声场的声束弹跳法，并对水下角反射器的反向声散射和角度加工误差影响进行了分析。梁晶晶等[6]对声束弹跳法进行修正，提出了水下凹面目标散射声场的快速预估方法，降低了计算量。声束弹跳法仅是一种近似的数值计算法，且存在计算结果不收敛，分析条件过于理想化等问题。

边界元法是一种有效的计算水下复杂目标散射声场的方法[7]，随着计算机技术和基于边界元法的声学软件如SYSNOISE的成熟，解决了边界元法计算量大、对计算机硬件要求高的问题。SYSNOISE对模型进行仿真时会考虑声波反射和折射等行为，当模型网格满足最小波长内含6个单元的要求时，可确保分析精度。本文采用振动-声学分析软件SYSNOISE对水下角反射器的声学特性进行仿真计算。

作为声呐干扰装置时，为了提高干扰效率，须尽量增大角反射器的散射宽度，而普通的三面角反射器存在散射宽度较窄的缺点，作为目标被发现的概率较低，难以满足对抗的需要。在雷达领域，常用八面角反射体或十二面角反射体来增大雷达散射截面[8]。本文对八面角反射体的水下声散射特性进行了计算，计算结果表明八面角反射体在增大目标强度的同时，能够有效增大散射宽度，减少反射器反射盲区。

1 边界元法基本理论

边界元法(Boundary Element Method, BEM)的实质是把所研究问题的微分方程变成目标表面的边界积分方程，再利用有限个积分单元将其离散求解，具有计算精度高、时间短等特点。SYSNOISE中边界元法分为直接边界元法(BEM Direct)和间接边界元法(BEM Indirect)，间接边界元法适用于模型内外部均有流体介质存在的情况；直接边界元法适用于边界元的一侧存在流体介质的情况。计算角反射器外部声场采用直接边界元法。

根据波动理论，理想流体中的波动方程为

在流固边界上，存在边界条件：

在无穷远处，波动方程满足索末菲尔德(Sommerfeld)条件[9]：

图1 边界元法的几何关系

由上述三式可以推导出单频散射声场的亥姆霍兹(Helmholtz)方程：

式(4)建立起散射声场中任一场点与结构表面的联系，因此，只要给定结构表面的声压边界条件或速度边界条件以及声压和速度的关系，即可求解散射声场。

结构表面的声压、速度和声强可以通过求解以上方程得到，对于声场中任意一点的声压，须求解方程：

2 仿真和结果分析

利用ANSYS构建角反射器三维模型，并用壳单元(SHELL181)对模型进行网格划分，为确保分析精度，SYSNOISE要求最短波长内至少含6个单元，将数据保存为*.cdb文件导入SYSNOISE中。定义流体密度为1 000 kg·m-3，流体中声速为1 480 m·s-1，定义入射声波为平面波，幅值为1 Pa，声源距离目标100 m，满足远场条件，场点位于声源处(收发合置)。

定义角反射器由刚性光滑平板构成，反射过程没有能量损耗。角反射器完全浸入水中，反射器表面与无限理想不动流体介质中声场耦合，其声学边界条件满足结构表面法向振速相等，且表面声压连续。定义角反射器表面满足刚性边界条件，则结构表面的法向振速为零。

设置分析频率为15 kHz，对目标表面声压、场点声压和声强等声学特性进行求解计算，本文重点分析水下角反射器远场条件下的目标强度和散射方向图，根据求解的场点声强，得到相应的目标强度

2.1 二面角反射器散射特性

为验证直接边界元法在计算水下角反射器散射声场的精确性，利用SYSNOISE软件计算在平面内，不同声波入射角度下二面角反射器(见图2)的目标强度，并将计算结果与声束弹跳法和板块元法的计算结果作对比。取二面角反射器边长为1 m，厚度为0.02 m，仿真结果如图3所示。

图2 二面角反射器

图3 二面角反射器的目标强度

由图3可知，角反射器多次反射声波对其散射声场贡献很大，因此，计算角反射器散射声场时不能忽略多次回波反射的作用。

2.2 三面角反射器散射特性

图4 正方形三面角反射器

图5 φ=45˚时3种三面角反射器目标强度随q的变化图

图6 q =55˚时3种三面角反射器的目标强度随φ的变化图

图7 目标强度与频率的关系

由图7可以看出，当入射波频率增大时，角反射器的回波强度先增大后趋于平缓，这也验证了水下物体目标强度不存在很明显的频率效应，尤其在高频频段。由于网格划分精度和计算机硬件条件限制，SYSNOISE存在高频仿真困难，因此没有对高频条件下的目标散射特性进行仿真。

图8 正方形三面角反射器表面声压云纹图

由图8可知，由于声波多次反射的作用，角反射器内侧的表面声压较大，是产生强回波反射的主要原因。相比传统声学软件，SYSNOISE的仿真结果具有可视化的优点，便于直观分析目标的声学特性。

图9 三种三面角反射器散射方向图

2.3 八面角反射体散射方向图

从图10可以看出，八面角反射体的最大目标强度为17.4 dB，而单个三角形角反射器的最大目标强度为14.6 dB，这说明八面角反射体既能增加回波强度，又能有效增大散射宽度。在雷达领域，八面角反射体常被用于模拟海上目标，用于军事训练，在水声领域，八面角反射体的应用还相对较少。

图10 八面角反射体

图11 q =55˚时八面角反射体散射方向图

3 结论

针对水下角反射器的特点，运用基于边界元法的SYSNOISE软件对其水下声散射特性进行仿真计算。计算了二面角反射器远场目标强度，通过与声束弹跳法的计算结果进行对比，验证了该方法用于计算水下凹面目标散射声场的有效性。对正方形角反射器、圆形角反射器、三角形角反射器和八面角反射体的散射声场进行仿真计算，根据分析得到以下结论：

(1) 水下角反射器内侧声波的多次反射对其散射声场贡献很大，计算水下角反射器散射声场时不能忽略声波多次反射的作用。

(3) 水下角反射器目标强度几乎不随频率变化而变化，尤其在高频频段，不存在明显的频率效应。

(4) 八面角反射体既能增大反射目标强度又能拓宽散射宽度。

受篇幅所限，本文只对刚性水下角反射器的散射声场进行了仿真分析，对于弹性角反射器以及影响角反射器散射声场的因素比如平板厚度、水压等还需进一步研究。

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Acoustic scattering characteristics of underwater rigid corner reflector

CHEN Xin, LUO Yi

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Hubei, China)

To analyze the acoustic scattering characteristics of underwater corner reflector, a method to calculate scattering acoustic field of concave target is proposed. According to the boundary element method (BEM), the mathematical model for the scattering acoustic field of underwater target is established. The corner reflector model is established by ANSYS software. Then by using acoustic analysis software SYSNOISES, the scattering acoustic field of corner reflector in far field is simulated. The target strength of biplanar corner reflector is calculated. By contrasting calculation results of the beam shooting and bouncing method and the planar elements method, the applicability and precision of this method is proved. By analyzing the scattering characteristics of three different trihedral corner reflectors, the target strength at different angles of incidence, its variation with frequency and scattering directional diagram are obtained. The results show that the target strength of the square corner reflector is the maximum, the scattering width of triangle corner reflector is the maximum, and no obvious frequency effect appears on the target strength of corner reflector. The scattering directional diagram of octahedral corner reflector is calculated. The results show that the corner reflector combination can increase target strength and scattering width.

boundary element method (BEM); corner reflector; scattering acoustic field; target strength

TB566

A

1000-3630(2019)-03-0278-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.03.007

2018-04-10;

2018-05-20

陈鑫(1993－), 男, 湖南邵阳人, 硕士研究生, 研究方向为兵器科学与技术。

罗祎, E-mail: 474450927@qq.com