上海交通大学学报 ›› 2024, Vol. 58 ›› Issue (7): 1006-1017.doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.463
收稿日期:
2022-11-15
修回日期:
2023-02-09
接受日期:
2023-03-03
出版日期:
2024-07-28
发布日期:
2024-07-26
通讯作者:
彭子龙,男,副教授;E-mail: zlp_just@sina.com.
作者简介:
陈昌雄(1998-),硕士生,从事水下目标声散射研究.
基金资助:
CHEN Changxiong1, PENG Zilong1(), SONG Hao2, XUE Yaqiang1, ZHOU Fulin3
Received:
2022-11-15
Revised:
2023-02-09
Accepted:
2023-03-03
Online:
2024-07-28
Published:
2024-07-26
摘要:
针对水下球类目标多基地声散射声场预报,提出了一种基于有限散射声压信息数据的预报方法.该方法将散射声场表示为声散射传递函数与声源密度函数的乘积形式,通过数值积分以模型表面网格信息作为输入得到声散射传递函数,以已知的少量散射声压数据作为输入,综合运用声学互易性、最小二乘法和矩阵变换得到声源密度函数.针对双层球壳以及带铺板球壳,分别利用Rayleigh简正级数解和有限元计算方法对该预报方法进行了验证.对带铺板球壳进行了目标强度试验,对比了测试结果和有限元计算结果,分别以几个测试数据和有限元数据作为输入预报了带铺板球壳多基地散射声场并与有限元结果对比.仿真和试验结果均吻合较好,验证了该预报方法的可行性.
中图分类号:
陈昌雄, 彭子龙, 宋昊, 薛亚强, 周富霖. 基于有限数据的水下球类目标多基地低频散射声场预报方法[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(7): 1006-1017.
CHEN Changxiong, PENG Zilong, SONG Hao, XUE Yaqiang, ZHOU Fulin. Prediction Method of the Low-Frequency Multistatic Scattering Sound Field for Underwater Spherical Targets Based on Limited Data[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2024, 58(7): 1006-1017.
表1
带铺板球壳测试与有限元计算目标强度
分置角 | 入射波频率300 Hz | 入射波频率500 Hz | 入射波频率700 Hz | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
FEM | 试验 | FEM | 试验 | FEM | 试验 | |||
0° | -30.81 | -31.31 | -26.76 | -26.12 | -27.58 | -26.93 | ||
45° | -30.67 | -31.75 | -24.79 | -25.46 | -24.01 | -23.42 | ||
90° | -31.03 | -32.62 | -23.08 | -22.42 | -17.82 | -18.95 | ||
135° | -32.68 | -33.98 | -25.26 | -23.13 | -21.3 | -20.12 | ||
180° | -33.93 | -35.96 | -28.15 | -26.42 | -26.52 | -24.41 |
表2
不同输入数据目标强度误差
计算频率/Hz | 输入元素分置角/(°) | 试验数据输入数据 平均误差/dB | 基于试验数据 预报平均误差/dB | 基于有限元数据 预报平均误差/dB |
---|---|---|---|---|
300 | 0、45、90、135、180 | 1.3 | 1.255 | 0.001 |
0、45、90 | 1.1 | 0.967 | 0.079 | |
0、90、180 | 1.4 | 1.471 | 0.011 | |
0、45、135 | 1.0 | 1.153 | 0.026 | |
45、90、135 | 1.3 | 1.144 | 0.018 | |
90、135、180 | 1.7 | 2.626 | 0.976 | |
45、135、180 | 1.4 | 1.241 | 0.380 | |
500 | 0、45、90、135、180 | 1.1 | 1.128 | 0.006 |
0、45、90 | 0.6 | 1.202 | 0.254 | |
0、90、180 | 1.0 | 0.938 | 0.104 | |
0、45、135 | 1.1 | 1.422 | 0.219 | |
45、90、135 | 1.1 | 1.326 | 0.194 | |
90、135、180 | 1.5 | 2.466 | 1.348 | |
45、135、180 | 1.5 | 1.469 | 1.308 | |
700 | 0、45、90、135、180 | 1.1 | 1.274 | 0.481 |
0、45、90 | 0.7 | 1.085 | 1.663 | |
0、90、180 | 1.3 | 1.280 | 0.902 | |
0、45、135 | 0.8 | 1.895 | 1.747 | |
45、90、135 | 1.0 | 1.141 | 1.029 | |
90、135、180 | 1.4 | 2.492 | 2.103 | |
45、135、180 | 1.3 | 2.954 | 2.777 |
[1] | 汤渭霖, 范军, 马忠成. 现代声学科学与技术丛书水中目标声散射[M]. 北京: 科学出版社, 2018. |
TANG Weilin, FAN Jun, MA Zhongcheng. Modern acoustic science and technology series on acoustic scattering of targets in water[M]. Beijing: Science Press, 2018. | |
[2] | WATERMAN P C. New formulation of acoustic scattering[J]. The Journal of the Acoustical Society of America. 2005, 45(6): 1417-1429. |
[3] | 卓琳凯, 范军, 汤渭霖. FEM-BEM 耦合方法分析弹性目标的声散射问题[J]. 上海交通大学学报, 2009, 43(8): 1258-1261. |
ZHUO Linkai, FAN Jun, TANG Weilin. Analyzing acoustic scattering of elastic objects using coupled FEM-BEM technique[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2009, 43(8): 1258-1261. | |
[4] | SCHNEIDER J B, WAGNER C L, BROSCHAT S L. Implementation of transparent sources embedded in acoustic finite-difference time-domain grids[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1998, 103(1): 136-142. |
[5] | 范军. 声呐目标强度(TS)计算的板块元方法[C]//中国声学学会1999年青年学术会议[CYCA’99]论文集. 上海: 同济大学出版社, 1999: 40-42. |
FAN Jun. The planar element method for computing target strength (TS) of sonar[C]//Proceedings of the 1999 Youth Conference of the Chinese Society of Acoustics [CYCA’99]. Shanghai, China: Tongji University Press, 1999: 40-42. | |
[6] | 郑国垠, 范军, 汤渭霖. 考虑遮挡和二次散射的修正板块元算法[J]. 声学学报, 2011, 36(4): 377-383. |
ZHENG Guoyin, FAN Jun, TANG Weilin. A modified planar elements method considering occlusion and secondary scattering[J]. Chinese Journal of Acoustics, 2011, 36(4): 377-383. | |
[7] | 范军, 卓琳凯. 水下目标回波特性计算的图形声学方法[J]. 声学学报, 2006(6): 511-516. |
FAN Jun, ZHUO Linkai. Graphical acoustics computing method for echo characteristics calculation of underwater targets[J]. Chinese Journal of Acoustics, 2006(6): 511-516. | |
[8] |
薛亚强, 彭子龙, 俞强. 基于Kirchhoff近似与曲面三角形网格的水下目标声散射特性分析[J]. 兵工学报, 2023, 44(8): 2424-2431.
doi: 10.12382/bgxb.2022.0374 |
XUE Yaqiang, PENG Zilong, YU Qiang. Acoustic scattering characteristics analysis of underwater targets based on kirchhoff approximation and curved triangular Mesh[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(8): 2424-2431.
doi: 10.12382/bgxb.2022.0374 |
|
[9] | BRAKHAGE H, WERNER P. Über das dirichletsche aussenraumproblem für die helmholtzsche schwingungsgleichung[J]. Archive for Mathematical Logic, 1965(16): 325-329. |
[10] | SCHENCK H A, BENTHIEN G W, BARACH D. A hybrid method for predicting the complete scattering function from limited data[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1995, 98(6): 3469-3481. |
[11] | 张小凤, 赵俊渭. 非入射方向有限长弹性柱声散射特性研究[J]. 陕西师范大学学报(自然科学版), 2002(3): 57-61. |
ZHANG Xiaofeng, ZHAO Junwei. Study of acoustic scattering characteristics of finite length elastic columns in non-incidence direction[J]. Journal of Shaanxi Normal University (Natural Science Edition), 2002(3): 57-61. | |
[12] | 张小凤. 双/多基地声呐定位及目标特性研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2003. |
ZHANG Xiaofeng. Researches on localization and target property for bistatic/multistatic sonar[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnic University, 2003. | |
[13] | 郑国垠, 范军. 双基地声纳目标回波特性研究[C]//2005年全国水声学学术会议论文集. 上海: 《声学技术》编辑部, 2005: 78-82. |
ZHENG Guoyin, FAN Jun. A study on the echo characteristics of dual-base sonar targets[C]//Proceedings of the 2005 National Hydroacoustics Conference. Shanghai, China: Editorial Office of Acoustic Technology, 2005: 78-82. | |
[14] | 刘成元, 张明敏, 王亚玲. 基于物理声学法的目标双基地散射场计算[J]. 海军工程大学学报, 2012, 24(4): 101-103. |
LIU Chengyuan, ZHANG Mingmin, WANG Yaling. Calculation of target bistatic acoustic scattering using physical acoustic method[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2012, 24(4): 101-103. | |
[15] | 马黎黎, 王仁乾, 项海格. 收发分置目标强度的计算及前向散射信号的分离[J]. 声学学报(中文版), 2009, 34(6): 481-489. |
MA Lili, WANG Renqian, XIANG Haige. Computation of bi-static target strength and separation of forward-scattering sound from objects[J]. Chinese Journal of Acoustics, 2009, 34(6): 481-489. | |
[16] | 冯雪磊, 陈南若. 边界元方法分析收发分置Benchmark潜艇低频目标强度[J]. 声学技术, 2018, 37(5): 418-424. |
FENG Xuelei, CHEN Nanruo. Analyzing the target strength of Benchmark submarine by boundary element method at low and middle frequencies[J]. Technical Acoustics, 2018, 37(5): 418-424. | |
[17] |
WANG B, WANG W H, FAN J, et al. Modeling of bistatic scattering from an underwater non-penetrable target using a Kirchhoff approximation method[J]. Defence Technology, 2022, 18(7): 1097-1106.
doi: 10.1016/j.dt.2022.04.008 |
[18] | AGOUNAD S, DÉCULTOT D, CHATI F, et al. Experimental study of the bistatic acoustic scattering from cylindrical shell[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2022, 186: 888-906. |
[19] | CASSEL K. In matrix, numerical, and optimization methods in science and engineering[M]. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2021. |
[20] | 汤渭霖, 范军. 水中双层弹性球壳的回声特性[J]. 声学学报, 1999(2): 174-182. |
TANG Weilin, FAN Jun. Echoes from double elastic spherical shell in water[J]. Chinese Journal of Acoustics, 1999(2): 174-182. |
[1] | 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. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||