罗祎， 王杰亚， 谢涛涛

(海军工程大学 兵器工程学院， 湖北 武汉 430033)

0 引言

角反射器具有构造简单、回波能力强、使用方便的优点，通常用于模拟地面物体电磁反射特征[1-3]。可以借鉴雷达角反射器基本原理，利用多个角反射器在水中模拟舰船声反射特征，诱骗主动声纳[4-6]。

但常见金属板角反射器的水声反射性能并不理想，由于水下金属结构声散射具有明显的弹性特性[7-9]，金属板角反射器与理想的刚性角反射器相比，其水声目标强度小、散射稳定性差，难以应用[10]。为此，需要提高水下角反射器的声反射性能。

平板是构成角反射器的基础，平板的反声性能决定了角反射器的反声性能。为了提高角反射器的水声反射性能，首要的途径是提高角反射器平板的水声反射性能。

水下角反射器是一种薄壁浸水凹形结构，在计算其声散射特性时，不能忽略多次散射波的贡献[10-13]，声学软件SYSNOISE对目标进行声学仿真时会考虑声的反射、衍射和折射等行为，便于计算凹面结构散射声场[14]。

因此，本文从提高构成角反射器平板的声反射性能入手，提出改善水下角反射器声反射性能方法，通过仿真分析和实验验证，探索提升水下角反射器实用性的技术途径。

1 提升水下声反射性能的方法

1.1 泡沫塑料夹层及其声反射系数

为了让入射声波尽可能无损耗地反射回去，构成角反射器平板的声反射系数应尽量接近于1，为此应使材料和水的特性阻抗尽可能失配。

由于泡沫塑料密度小、声速低，与水的声特性阻抗差别大，可以利用水下泡沫塑料作为反声层。泡沫层采用轻质聚氨酯泡沫，考虑到轻质泡沫直接放入水中，水的渗透会改变泡沫材料声阻抗，为了确保泡沫层稳定的反声性能，采用密封结构制成泡沫夹层板，使其不受水的影响。

将厚度1 mm金属薄板焊接成封闭结构，内部填充轻质聚氨酯泡沫，密度为30 kg/m3，聚氨酯泡沫层具有一定的耐压性，为避免水压较大时变形，设置一定数量的加强筋，增强聚氨酯泡沫夹层板的稳定性，如图1所示。

图1 聚氨酯泡沫夹层板示意图Fig.1 Schematic diagram of polyurethane foam interlayer

由于外层钢板很薄，水声反射系数很低，几乎可以当作透声膜[10]，下面分析泡沫夹层板反声性能。

声波在轻质塑料泡沫中传播不激起切变波，图2为声波通过泡沫夹层的传播示意图，h为泡沫夹层厚度，pi、pp分别是入射波和透射波，pr为反射波，θi为入射角，θrw为折射角。设ρw为水的密度，cw为水中声速，ρf为泡沫层密度，cf为泡沫层中声速。

图2 声波通过泡沫夹层的传播示意图Fig.2 Schematic diagram of propagation of sound wave through foam interlayer

由折射定律可知

(1)

入射波、反射波和透射波可分别表示为

(2)

代入边界条件，可得泡沫层反射系数为

(3)

若平面波入射角度不超过全内反射的临界角，P为实数，则有

(4)

1.2 金属薄板的声反射系数

当平面波入射到薄金属板上时，会激起薄板弯曲振动和对称振动。此时声波通过薄板的传播示意图如图3所示，hb为薄板厚度，pbi、pbt分别是入射波和透射波，pbr为反射波，θbi为入射波与z轴正向的夹角。

图3 声波通过薄板的传播示意图Fig.3 Schematic diagram of propagation of sound wave through thin plate

弯曲振动阻抗为

(5)

对称振动阻抗为

(6)

式中，p″为声压对称分量；v″为振动速度相对于平均中线的对称分量；cnp为对称波波速。

在薄板上表面(z=0 mm)，振动速度vu为对称和反对称振动速度之差，而下表面(z=hb)振动速度vd为二者之和。

(7)

式中：Z0=ρmcw/cosθbi.

经计算，当薄板的厚度远小于其纵波波长的三分之一时，可认为声波的传播仅由薄板的弯曲振动产生。实际上，对于任何金属薄板，在几乎所有的入射范围内Znp都远大于Z0，可采用不考虑纵波的近似公式来计算反射系数：

(8)

(5) 式代入(8)式，可得

(9)

1.3 反射系数对比

设水的密度为1 000 kg/m3，水中声速为1 480 m/s；钢的泊松比为0.29，弹性模量为216 GPa，密度为7 800 kg/m3，钢板厚度为5 mm；泡沫层中声速为420 m/s，泡沫层厚度为15 mm. 按(4)式和(9)式分别计算泡沫夹层板和金属板的反射系数，结果如图4、图5所示。

图4 反射系数随入射角变化Fig.4 Change reflectance with incident angle

由图4、图5可见：1)泡沫夹层反射系数大且非常稳定，在所有给定入射波频率和入射角(垂直入射为0°)范围内均近似为1；2)薄钢板的反射系数较小，随入射频率增大而增大，随入射角度增大而显著减小。

计算还表明，虽然厚度增大时，钢板的反射系数会增大，可采用较厚(大于10 mm)的金属板制成角反射器，但其反射系数受入射角和频率影响较大，且十分笨重，不便于工程应用。

由此可见，水中泡沫夹层反射系数大、性能稳定，而且轻便，是较为理想的反声结构，可以利用其这一优点构造水声角反射器。

2 角反射器仿真实验

利用上述聚氨酯泡沫塑料夹层构造水下角反射器，然后利用有限元分析软件ANSYS和声学分析软件SYSNOISE对其散射声场进行仿真，并与钢板角反射器对比。仿真流程如图6所示。

图6 仿真流程图Fig.6 Flow chart of simulation

图7、图8分别是平面波入射到二面、三面角反射器的示意图，入射波为幅值为1 Pa的平面波，入射角φ、θi如图7和图8所示，两种角反射器边长均为l=1 m，薄钢板角反射器钢板厚度为5 mm，其他各参数如前文定义。声源距离目标r=100 m，满足远场条件，场点设在声源处(收发合置)，不计结构阻尼。

图7 平面波入射到二面角反射器的示意图Fig.7 Schematic diagram of plane wave incident on biplanar corner reflector

图8 平面波入射到三面角反射器的示意图Fig.8 Schematic diagram of plane wave incident on trihedral corner reflector

分别计算5 kHz、10 kHz、15 kHz入射频率下θi=55°、φ为0～90°时，薄钢板角反射器及泡沫夹层角反射器目标强度TS随入射角变化情况。

仿真结果如图9和图10所示，其中图9为二面聚氨酯泡沫夹层角反射器与金属板角反射器对比，图12为三面三角形泡沫夹层角反射器与金属板角反射器对比。

图9 二面角反射器对比Fig.9 Comparison of simulated target strengths of biplanar foam interlayer and metal plate corner reflectors

图10 三面角反射器对比Fig.10 Comparison of simulated target strengths of trihedral foam interlayer and metal plate corner reflector

由图9和图10可见：1)在绝大部分入射方向上，泡沫塑料夹层角反射器目标强度大于同样边长的5 mm厚薄钢板角反射器；2)薄钢板角反射器的目标强度随入射角度变化起伏明显，很不稳定，不便于使用，而泡沫夹层角反射器目标强度随入射角度变化平缓。

3 消声水池实验

为了验证本文方法的有效性，设计加工了两种类型的角反射器：为便于实验操作，减小实验对象尺寸重量，薄钢板二面角反射器及三面三角形角反射器边长均为0.5 m，钢板厚度为2 mm；聚氨酯泡沫夹层二面角反射器及三面三角形角反射器，边长为0.5 m，外层两侧钢板厚度为1mm，内部泡沫夹层厚度为15 mm.

在消声水池中对它们的声散射进行实验，两面角反射器如图11所示，实验现场如图12所示。测量声反射信号需满足远场条件，实验布放示意图如图13所示，计算可知满足远场条件。由于消声水池池壁及上、下表面依然有弱反射干扰，为更好区分角反射器反射信号及消声水池干扰信号，根据水池及反射器大小，对入射波信号进行计算优选，结果如下：采用频率为15 kHz的连续脉冲信号，设定发射信号脉宽为1 ms，发射周期为2 s. 每隔3°测量一次，测量不同的声波入射角φ时角反射器的反射信号。在满足远场及消除干扰等实验要求的前提下，采用5 kHz、10 kHz频率脉冲入射信号时，实验结论是同样的。

图11 二面角反射器Fig.11 Biplanar corner reflector

图12 水池实验现场图Fig.12 Scene of trial in pool

图13 水池实验示意图Fig.13 Schematic diagram of trial in anechoic pool

然后根据(10)式计算目标强度：

(10)

式中：Ir为距反射器中心r处反射声强；Ii为入射声强；Ub为目标回波信号电压；Ud为直达波信号电压；dc为角反射器距水听器水平距离；de为发射换能器距水听器水平距离。

实验结果如图14、图15所示。

图14 二面角反射器实验结果对比Fig.14 Comparison of experimental target strengths of biplanar foam interlayer and metal plate corner reflectors

图15 三面角反射器实验结果对比Fig.15 Comparison of experimental target strengths of trihedral foam interlayer and metal plate corner reflectors

由实验结果对比可知：

1)对于二面角反射器，在同样0.5 m边长条件下，薄钢板角反射器目标强度较小。在全部0～90°入射方向上，泡沫塑料夹层角反射器目标强度均大于薄钢板角反射器，在入射角度10～80°范围内二者目标强度差距更明显，约为5～10 dB；薄钢板角反射器目标强度随入射角度改变变化大，稳定性差，尤其在入射角度5～25°以及65～85°范围时目标强度变化剧烈，而泡沫塑料夹层角反射器目标强度随入射角度变化波动较小。

2)对于三面角反射器，由于入射声波反射次数多于二面角反射器，二者声反射性能区别更加显著。在同样0.5 m边长条件下，薄钢板角反射器目标强度很小，在全部0～90°入射方向上，泡沫塑料夹层角反射器的目标强度均明显大于薄钢板角反射器，在入射方向5～85°上二者目标强度差距更明显，约为5～10 dB；几乎在所有的入射角度范围内，薄钢板角反射器目标强度均随入射角度剧烈变化，泡沫塑料夹层角反射器目标强度随入射角度变化明显平缓。

可见，由于轻质泡沫塑料夹层与水之间存在明显的声阻抗失配，添加轻质泡沫塑料夹层能有效改善角反射器声反射性能，不仅能提高其目标强度，还可以改善其声反射稳定性。尤其对于更常用的三面角反射器，添加轻质泡沫塑料夹层后，对于角反射器水声反射性能改善更加明显。

实验中，两种类型角反射器目标强度曲线随入射角变化均不完全对称，与常理不符，经检验分析，主要是由于加工的角反射器各个面不完全垂直造成的，这一误差对实验结论无明显影响。

4 结论

为改善水下金属角反射器反声性能，设计了一种水下耐压聚氨酯泡沫夹层，并在此基础上构建了水下泡沫夹层角反射器。得出以下主要结论：

1) 聚氨酯泡沫夹层板水下声反射系数稳定，在5～20 kHz入射波频率和0～90°入射角范围内均近似为1.

2) 泡沫夹层可以有效改善角反射器声散射特性，在同样边长下，利用它构造的角反射器水声目标强度与声散射稳定性均优于金属板角反射器。

角反射器的使用往往要采用多格的方式，多格角反射器中各反射单元会互相影响，其声散射频率及角度等特性将呈现更复杂的规律，这些问题还需要进一步研究。