开式呼吸蛙人专用氧气瓶声散射特性

doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.078

开式呼吸蛙人专用氧气瓶声散射特性

张培珍^,, 林芳

广东海洋大学电子与信息工程学院, 广东湛江 524088

Sound Scattering Characteristics of Oxygen Cylinder for Open Breathing Diver

ZHANG Peizhen^,, LIN Fang

College of Electronic and Information Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, Guangdong, China

责任编辑: 陈晓燕

收稿日期: 2021-03-11

基金资助:

国家自然科学基金(11974084)
广东省科技创新战略专项资金项目计划(2020A1414050058)
湛江市非资助科技攻关专题(2020B01321)

Received: 2021-03-11

作者简介 About authors

张培珍(1972-),女,教授,山东省胶南市人,研究方向为水中目标声散射与水声信号处理.电话(Tel.):13360127048;E-mail:zpzhen7242@163.com.

摘要

解决开式呼吸蛙人所携带的氧气瓶目标强度对目标全体散射的贡献问题,为掌握蛙人的精确特性预报和识别奠定基础.构建非轴对称激励下三维目标的二维有限元轴对称模型,运用声固耦合-频域多物理场接口计算不同方位声波照射目标散射远场的频率特性数值解,解释频率响应共振频率亮条纹产生的原因和估计公式.在线性声学的假设下,将有限元数值解作为系统函数,同带宽线性调频信号为系统输入信号,根据时域卷积定理得到时域回波仿真结果,结合亮点模型和弹性环绕波理论给出距离-角度时域回波的精确预报模型.结果表明: 影响氧气瓶回波强度的主要因素为目标的镜反射和角反射,气瓶阀门和球冠等精细结构产生的附加亮点和环绕波对不同方位散射频率响应特性的影响不可忽略.通过收发合置的湖试实验,验证回波机理和散射指向分布共振频率特性预报的正确性.

关键词： 有限元法; 距离-角度时域回波; 频率-角度谱; 亮点模型; 环绕波; 开式呼吸蛙人

Abstract

This paper aims to solve the problem of the oxygen cylinder contribution to the overall scattering intensity of the open breathing diver, which is the basis for mastering the accurate prediction and identification of the diver. A two-dimensional finite element axisymmetric model of 3D-object with non-axisymmetric excitation is constructed. The numerical solution to the far-field frequency characteristics of the acoustic scattering by the object with different azimuths is obtained by using the acoustic-solid coupling multi-physical interface in frequency domain. The reason and the estimation formula of the bright fringe at the resonance frequency are given. Under the assumption of the linear acoustics, the numerical solution to finite element method (FEM) is taken as the system function, and the linear frequency modulation signal with the same bandwidth is taken as the input signal of the system. The echo simulation in time domain can be obtained based on the convolution theorem. Combining the bright spot model and the elastic circumferential wave theory, the precise prediction model of the distance-angle echo in time domain is proposed. The results show that the main factors that affect the strength of the echo include the mirror reflection and the angular reflection. The additional bright spots and circumferential waves generated by the fine structures such as valves and spherical cap have a non-negligible influence on the frequency response characteristics in different azimuths. The validity of the echo prediction and resonance frequency characteristics is verified by the lake experiment in monostatic mode.

Keywords： finite element method (FEM); distance-angle echo in time domain; frequency-angle spectrum; bright spot model; circumferential wave; open breathing diver

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本文引用格式

张培珍, 林芳. 开式呼吸蛙人专用氧气瓶声散射特性[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(6): 764-771 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.078

ZHANG Peizhen, LIN Fang. Sound Scattering Characteristics of Oxygen Cylinder for Open Breathing Diver[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2022, 56(6): 764-771 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.078

蛙人根据携带呼吸器的不同分为闭式呼吸和开式呼吸两种,氧气瓶是开式呼吸蛙人进行水下侦察和执行特殊任务所必须携带的装备之一,也是对蛙人回波强度产生影响的主要散射体.Donskoy等^[1-2]经过大量实验研究,发现呼吸调节器的高、低压阀是蛙人水下呼吸辐射声信号主要来源.Hollett等^[3]在发射信号为100 kHz 时,得出的结论是携带开放式呼吸器的蛙人目标强度比同等条件下的闭式呼吸蛙人目标强度高约 5~10 dB.Sarangapani等^[4]指出肺和氧气瓶可能是蛙人目标强度的主要因素,并使用简单的有限圆柱体模型对蛙人进行近似建模,计算并测量了60 kHz不同方向柱体模型的目标强度,结果显示在26 m范围内,近似模型的目标强度等于-21.4 dB.聂东虎等^[5]通过声学软球体和刚性圆柱建立了蛙人数值计算的近似模型,以携带开放式呼吸器的蛙人作为研究对象,测量了正面、侧面、平躺3种姿态下的目标强度测量结果,得到了目标强度随入射角度变化关系,3种姿态下测量得到的目标强度平均值分别为-15.1、-15.9 以及 -25.3 dB.实验中采用干粉灭火器模拟氧气瓶得到的目标强度平均值约为-16.6 dB,结果表明回波贡献最大的是气泡群,相比潜水装备,蛙人身体对回波的贡献较小.张波等^[6]在蛙人目标强度测量试验中,以频率为75 kHz声波为发射声源,经过验证分析认为呼吸产生的气泡群、潜水服、呼吸气瓶是影响蛙人目标强度的主要因素,其中呼吸气瓶的目标强度小于-20.6 dB,蛙人人体的目标强度约为-27.2 dB,表明蛙人携带设备所产生的贡献高于人体的影响^[7].Zampolli等^[8]用刚硬柱壳气腔模拟不锈钢呼吸器,该模型忽略了目标的弹性特性,仅在前后向散射目标强度随频率变化的关系方面验证了模拟模型的适用性.Houston等^[9]在水池实验测量了潜水员呼吸气瓶的目标强度,给出结论是潜水员/氧气瓶的目标强度可近似为简单圆柱体或球体形状.可见,氧气瓶在蛙人目标强度中的作用不可忽视.但是已有研究得到的气瓶的目标强度不完全相同,主要原因在于氧气瓶多数采用近似结构^[10-11],或者替代品.另外,不同姿态、不同的入射波频率对蛙人的目标强度影响较大.因此建立精确模型,预报全方位的目标特性是分析蛙人目标特性并进一步识别的关键.

充分考虑入射方向以及姿态变化在回波特性测量中的作用,获取全向、宽带、精细化频率间隔的目标回波特性,对于掌握蛙人总体目标特性有意义.基于周向分解的二维有限元轴对称模型数值方法构建氧气瓶模型,计算非轴对称激励下三维目标在不同方位目标频率响应,阐述回波主要成分产生的机理以及频率响应的共振特性与目标结构的关系,研究成果对于复杂结构目标的散射特性预报有指导意义.

1 有限元模型与数值计算

1.1 氧气瓶结构

为了提高运算效率并拓展频带宽度,构建周向分解的二维有限元轴对称模型计算三维目标散射远场,完成全方位氧气瓶频率响应的数值计算,计算中所采用的几何结构如图1所示.图中D₁和D₂分别为气阀帽端部小台阶尺寸;R为氧气瓶柱体半径;壳体厚度为0.8 cm;瓶体总长72 cm.

图1

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图1 氧气瓶结构 (cm)

Fig.1 Construction of oxygen cylinder (cm)

1.2 二维有限元模型的远场积分公式

轴对称目标在非轴对称激励下目标远场积分公式为^[12-13]

(1)p(r)=

\frac{e^{- i k_{0} | r |}}{4 π | r |} \sum_{m}

∫_l r₀

e^{i k_{0} \frac{z z_{0}}{| r |}}

×[ik₀

\frac{p_{m} (r_{0})}{| r |}

(rn_rC_m(k₀rr₀/|r|)+zn_zE_m(k₀rr₀/|r|))-ρ_fω²E_m(k₀rr₀/|r|)×(u_m(r₀)n_r+w_m(r₀)n_z)]dl

式中:p(r)为远场声压; r(r,θ,z) (r和z分别为远场点径向和周向距离,θ为声波入射角)为远场点;k₀为入射声波波数,大小为2π/λ (λ 为声波波长);m为周向分解阶次;l为线积分所在的围线;r₀(r₀,θ₀,z₀) (r₀和z₀为目标表面任意点径向和周向距离,θ₀为该点方位角)为目标表面任一点坐标;p_m、u_m、w_m分别为二维轴对称目标表面声压、法向位移径向以及周向分量的周向分解形式;n_r和n_z分别为径向和轴向的单位法向量;ω为声波角频率;ρ_f为流体介质密度.令ζ=k₀rr₀/|r|,则E_m(ζ)、C_m(ζ)满足下式:

E_m(ζ)=2πi^mJ_m(ζ)eⁱ^mθ

C_m(ζ)=-2πi^m⁺¹J'_m(ζ)eⁱ^mθ

式中:J_m(ζ)和J'_m(ζ)分别为m阶Bessel函数及其导数.

1.3 数值计算

氧气瓶外壳用不锈钢材料,密度为 7800 kg/m³,纵波声速 6020 m/s,横波声速 3200 m/s.采用收发合置测试方式,发射和接收位于目标远场50 m处.图2所示为利用二维有限元轴对称模型计算得到的氧气瓶全方位的散射频率响应特性函数,即频率-角度谱,图中TS为目标强度,f为声波频率.为了说明氧气瓶几何构成的各部分在总场中的贡献,将内中空的有限长柱壳模型散射特性作为对比.声波入射角θ范围为0°~180°;发射信号频率f范围为100~20 kHz.其中0° 为平顶端入射,90° 为正横方向,180° 为球冠和阀门端.

图2

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图2 频率-角度谱

Fig.2 Frequency-angle spectrum

在线性声学的假设下,信号发射至接收过程可以近似为线性时不变系统,回波就是系统对入射信号的响应,即时域回波可以利用发射信号和系统脉冲响应的卷积求解.根据卷积定理,空间域中的卷积运算可通过求解两个函数快速傅里叶变换乘积的反变换而得.图2所示频率-角度谱即为全方位系统传输函数与入射调频信号的频率-角度谱相乘后,进行快速的傅里叶反变换得到目标时域回波仿真,结果如图3所示.图中d为目标时域回波的传播双程;PL为回波声压级.相比有限长柱壳,氧气瓶频率-角度谱和距离-角度时域回波呈现明显的不对称性.

图3

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图3 回波仿真

Fig.3 Echo simulation

2 回波机理及频率共振响应特性解释

2.1 回波构成与行程

弹性体受声波激励产生的散射波主要包括几何镜反射波、Franz波、弹性散射波等.构成氧气瓶回波的主要成分及行程计算如图4所示.图中d₁、d₂、d₃、d₄、d₅、d₆依次为棱角①、棱角②、不连续点③、不连续点④、球冠⑤及气阀⑥等结构亮点回波相对于目标中心的行程差;L'、L₁分别为氧气瓶总长度和阀门高度;R₁为球冠半径.声波入射角θ=0°~180°,在回波能量中的主要贡献包括棱角①、棱角②、不连续点③、不连续点④、球冠⑤及气阀⑥的亮点回波以及弹性环绕波.

图4

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图4 回波构成及行程计算示意图

Fig.4 Diagram of echo composition and traveling distance calculation

2.2 距离-角度时域回波生成机理

若以目标中心为参考点,各个回波成分出现的角度范围以及相对于目标中心的程差数值估计结果如表1所示.

表1 氧气瓶各亮点出现角度与相对参考点程差

Tab.1 Distance between bright spots of oxygen cylinder and reference point

亮点	角度	相对程差
棱角①	0°≤θ≤180°	d₁=- $\sqrt{{(\frac{L'}{2})}^{2} + R^{2}}$ cos(θ-arctan(2R/L'))
棱角②	0°≤θ≤180°	d₂=- $\sqrt{{(\frac{L'}{2})}^{2} + R^{2}}$ cos(θ+arctan(2R/L'))
不连续点③	0°≤θ≤180°	d₃= $\sqrt{{(\frac{L'}{2} - R_{1} - L_{1})}^{2} + R^{2}}$ cos $(θ + a r c t a n [R / (\frac{L'}{2} - R - L_{1})])$
不连续点④	0°≤θ≤180°	d₄= $\sqrt{{(\frac{L'}{2} - R_{1} - L_{1})}^{2} + R^{2}}$ cos $(θ - a r c t a n [R / (\frac{L'}{2} - R - L_{1})])$
球冠⑤	90°≤θ≤180°	d₅=R+(L'/2-L₁-R)cos(π-θ)
阀门⑥	0≤θ≤90°,90°≤θ≤180°	d₆= $(\frac{L'}{2} - L_{1} - R_{1})$ cos θ,d₆= $\frac{L'}{2}$ cos θ
环绕波	临界角φ_l附近	Δd₁

注:Δd₁=2πR(1/c_sg-cos θ_zcos θ_g/c)/sin $θ z$ ^[14-15], 为入射波在柱体表面螺旋绕行的散射波和目标中心参考点的程差近似值,c_sg为表面波的群速度, θ_g为入射声线与柱轴夹角,θ_z为螺旋角,c为水中声速.

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若目标为有限长柱壳,则表1中的R₁=0,L₁=0.弹性环绕波激发的条件是入射角等于临界角,即φ_l=arcsin(c/c_s0),根据本文采用的材料参数得到φ_l≈31°,c_s0为s₀波相速度.根据表1所示的目标回波亮点出现的角度范围和相对程差计算公式,得到目标回波的预报结果如图5所示.预报结果和数值计算回波仿真得到回波亮点相一致.根据图5得出以下结论:

图5

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图5 距离-角度时域回波预报

Fig.5 Echo prediction of distance-angle in time domain

(1) 图5(a)中,亮点回波产生特性关于θ=90°对称.非正横入射方向的回波亮点主要由4个棱角产生,以θ=0°~90°为例,由于棱角④产生的波是声波经绕射后返回的声波, 故相对较弱.由于沿圆柱端面径向和侧面轴向的反向存在表面波的再辐射,故棱角②和③在临界角附近产生的回波将会有明显增强现象,增强是由弹性波引起的,如图5中箭头所指ⓐ处.

(2) 图5(b)中,亮点回波产生特性关于θ=90°非对称.当声波入射方向θ=0°~90°非正横入射方向,③和④处为不连续点,因此氧气瓶的回波亮点主要由2个棱角、1个不连续点和气阀产生,④点能量较低可忽略.当θ=90°~180°时,由于气瓶球冠的存在,不连续点③和④为平滑过渡点,不存在棱角亮点回波,故回波主要贡献由棱角①、②以及球冠和气阀产生.θ=180°为气阀端,相比平顶端回波能量较低.氧气瓶在临界角附近同样存在由于弹性波引起的增强现象.

(3) θ=0°和θ=90°方向,即正横和平顶方位,除棱角波外,还存在等距传播的表面环绕波,且程差分别近似为2πR和2L'+πR,如图5中ⓑ所示.

2.3 频率响应及共振特性形成机理

结合图2~5所描述的回波亮点特性,分析氧气瓶频率响应及其共振机理.

(1) 声波入射方向θ=90°,氧气瓶和柱壳散射频率响应规律相似,主要贡献是平面镜反射波及绕柱壳弹性环绕s₀波和a₀波.由于a₀波相速度小于c,a₀波无法到达远场,此时,弹性波共振产生的条件是第k次和第k-1次环绕s₀波与镜反射回波的相位差为2π的整数倍,此时共振频率为^[16]

(2)

\frac{k R}{k}

\frac{c_{s 0}}{c}

若声波垂直于平顶端,即θ=0°,环绕波形成程差近似为2L+πR的等间隔波阵列.

(2) 若入射方向偏离0° 且小于90° 斜入射,球冠部分尚未产生亮点回波,回波主要由棱角①、②及不连续点③和气阀⑥产生的波构成,不同回波之间行程差为波长的整数倍时,亮点回波相互耦合发生共振,形成频率响应峰值,共振频率为

(3)f_q=n_q

\frac{c}{d_{1 q} - d_{2 q}}

, n_q=1, 2, 3, …

式中:q为计算共振峰亮点对个数;n_q为形成共振峰的相对程差与波长之比;d₁_q和d₂_q分别为用于共振峰预报的两个亮点相对于目标中心的程差,与此同时环绕波沿柱体表面螺旋环绕传播并向外辐射.

θ_g满足:

cosθ_z=cosθ_g/sinθ_ccosθc₌sinθg_cosφ

其中:θ_c为临界角;φ为水中声速.环绕波声共振条件为^[17]

ω2πR(1/c_sg-cosθ_zcosθ_g/c)/sinθ_z=2πl

l=1, 2, 3, …

(3) θ=φ₁~90°,与有限长柱壳相比较,阀门的附加亮点使得氧气瓶散射强度增强,且频域共振峰特性较为复杂.棱角①、②、不连续点③以及气阀⑥所产生的亮点回波两两之间行程差为波长的整数倍时,亮点回波相互耦合发生共振,形成频率响应峰值.声波偏向平顶端斜入射,相对于正横方向,两种目标散射强度降低,氧气瓶频响共振峰起伏剧烈.原因在于氧气瓶的主体是壳体,其回波是由若干个亮点回波叠加而成.主要成分包括棱角波和弹性环绕波,主要包括棱角①、②、不连续点③及气阀⑥的亮点叠加,由于球冠的平滑过渡,不连续点④回波较弱不可见.

(4) θ=90°~180° 时,散射回波中的棱角波主要包括棱角①、②、气阀⑥和球冠⑤亮点叠加,共振峰产生的机理和前述一致.若90°-φ_l<θ<90°+φ_l,还存在弹性环绕波.θ=180° 时,声波正对氧气瓶阀门照射,当频率大于10 kHz,回波强度相比有限长柱壳下降显著,这是由于气阀端的小平面和球冠的组合结构类似于由尖部和基部构成的吸声劈尖,在高频信号激励下具有吸声作用.当θ=90°时,为正横方向,高频处氧气瓶散射声压比柱壳高出10 dB.偏向气瓶阀门侧斜入射,由于此时主要回波为弹性环绕波,氧气瓶强度和柱壳目标强度均低于-20 dB.

若发射声波频率为100~20 kHz,入射角围绕目标旋转0°~180°(平顶端为起始0°,气阀端为180°),根据表1所给出的各个亮点相对于参考点的程差,可以得出0°~180° 范围内回波亮点的预报值,图6(a)和6(b)分别为有限长柱壳和氧气瓶共振频率分布规律.由于亮点回波相互耦合,当不同回波之间程差为波长的整数倍(或相位差为2π的整数倍)时发生共振,形成频率响应峰值.正横和垂直于平顶端入射,即θ=0°和90°时的较强共振峰是环绕波与镜反射相互耦合的结果.图6(a)中给出最亮条纹所在位置的数值预报结果,其中红色线表示棱角①与②,棱角③与④回波相互耦合产生的共振峰,蓝色线表示角点①与③耦合共振峰,黑色和绿色线分别表示棱角①与④,棱角②与③耦合共振峰.图6(b)中0°~90° 范围的共振特性与图6(a)类似,90°~180° 范围内的共振峰主要是氧气瓶气阀、球冠⑤及棱角①与②作用下产生的.显然,氧气瓶与有限长柱壳的结构差异,使得两者频谱峰值特性发生显著变化.

图6

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图6 共振频率预报

Fig.6 Prediction of resonance frequency

3 实验验证

3.1 实验环境与布局

蛙人携带氧气瓶回声测量实验在莫干山对河口水库中完成.发射换能器距离接收水听器5.88 m,接收水听器距离目标中心位置7 m.发射、接收、目标在同一水平位置处于水下8 m,测量平台处水深18.5 m,氧气瓶悬挂于可自由旋转的转台,柱轴平行湖底吊放.测量实验布局如图7所示.单个气瓶重量16 kg,总长度72 cm,半径18.5 cm.

图7

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图7 氧气瓶与实验布局(m)

Fig.7 Diagram of oxygen cylinder and experimental layout (m)

测量实验中发射声源为频率40~80 kHz的线性调频信号,旋转转台在0°~430° 范围内转动,用时大概6 min,测试收发合置目标声散射特性,截取得到0°~180° 范围内距离-角度时域回波和频率-角度谱分别如图8(a)、8(b)所示,距离-角度时域回波实验结果与数值预报十分接近.

图8

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图8 测试结果

Fig.8 Testing results

3.2 目标强度计算

为了进一步说明氧气瓶全方位散射强度的分布特性,图9通过基于COMSOL多物理场软件的有限元方法,完成二维轴对称模型的数值计算和实验方法,得到声波频率为70 kHz目标强度分布的指向图.可见氧气瓶在不同方位具有不同的目标强度,平顶端最强,球冠气阀端最弱,当声波斜入射时,水中回波在相应的 Rayleigh 角附近有明显增强现象,增强应该是由弹性波引起的.这种现象可以解释为沿圆柱端面径向和侧面轴向的反向 Rayleigh 表面波的再辐射.通过实验和数据计算得到的结果比较吻合,出现误差的主要原因在于:① 测试过程中目标回波叠加混响信号,使得斜入射方向实验测试目标强度高于数值计算的结果;② 数值计算中氧气瓶厚度是通过测量重量和体积后估算的结果,数值计算中未考虑实验中气瓶厚度非均匀性;③ 目标的吊放不是十分严格的水平吊放,目标中心与数值计算也略有偏差,使得在平顶方向存在一定误差.

图9

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图9 目标强度对比

Fig.9 Comparison of target strength

4 结语

氧气瓶作为开式呼吸蛙人携带的主要设备之一,是影响蛙人目标强度的主要贡献.本文结合亮点模型和弹性环绕波理论给出散射回波的预报模型,较好地实现了频谱共振特性的精确预报.通过有限元数值计算和实验两方面验证结果表明:不同方位对回波产生影响的主要因素不同,声波垂直柱轴或平顶端入射,环绕波绕柱面形成等间隔波阵列;对于声波斜入射时无论是有限长柱壳还是氧气瓶,柱壳表面激发的螺旋环绕波并产生再辐射,都存在弹性波增强效应.影响氧气瓶回波强度的主要因素为目标的镜反射和角反射,气瓶阀门和球冠等复杂结构产生的附加亮点和环绕波对不同方位散射频率响应特性的影响较大.与有限长柱壳相比较而言,声波垂直于平顶端照射,两种模型目标强度差别不大.氧气瓶目标强度在正横和斜入射方向目标强度相对较高,这是因为气瓶阀门和球冠部分存在增加了新回波的亮点.氧气瓶平顶端目标强度约为0 dB,正横方向约为-10 dB.斜入射方向平均强度约-15 dB,在临界角附近明显增强.特别是阀门端类似于由尖部和基部构成的吸声劈尖,在高频信号激励下具有吸声作用,因此相比圆柱壳近似模型,平顶端目标强度低20 dB左右.全方位目标强度的求解对于后续携带氧气瓶蛙人的辨识和关键特征点的提取有指导意义.

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

DONSKOY

D M

Acoustic emission mechanism from scuba diving equipment

[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2007, 121(5): 3086.