徐盛瀛 劉雨東

（上海船舶電子設備研究所，上海，201108）

隨著魚雷目標識別和反對抗技術的不斷發(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，即邊收邊發(fā)技術可以有效減少轉發(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，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、設計利用接收和發(fā)射換能器的指向性隔離、利用聲障板結構進行隔離以及發(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構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構，因此本文在此基礎上，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)射端或接收端敷設吸聲材料以及聲誘餌內部存在艙壁板結構等情況下，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果

表1 球形聲源聲場聲壓級計算結果

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果

根據(jù)表2的計算結果，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吸聲材料時對接收端聲壓級的影響，吸聲材料的敷設示意圖如圖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吸聲材料三種情況下，接收端的聲壓級大小，敷設吸聲材料的厚度為10 mm，計算結果如表3所示。

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

圖3 聲誘餌模型敷設吸聲材料示意圖

表3 敷設吸聲材料時接收端聲壓級計算結果

接下來計算在聲誘餌內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，計算在聲誘餌內部分別增加一個、兩個和三個艙壁板時聲誘餌的隔離度，內部增加艙壁板時的聲誘餌示意圖及計算結果見圖4和表4。

圖4 聲誘餌內部加艙壁板示意圖

表4 內部加艙壁板時接收端聲壓級計算結果

根據(jù)表4的計算結果，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 計算結果對比

對簡化聲誘餌模型隔離度的計算結果進行比較。選取未敷設吸聲材料、內部無艙壁板、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；與單獨敷設相比，同時在聲誘餌頭部和尾部敷設吸聲材料時的Δ更小，聲隔離效果更好；僅在聲誘餌內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，在聲誘餌頭部敷設比在尾部敷設效果明顯，頭部和尾部同時敷設比單獨敷設的效果明顯；

（3）當聲誘餌系統(tǒng)內部存在數(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。