基于次聲波相控矩形陣列法的聚束定向技術(shù)研究*

饒廣然 蔣心怡

(海軍工程大學(xué)電氣系1) 武漢 430033)(92619部隊(duì)2) 廣州 510290)

1 引言

次聲波是不可聞的聲波,頻率低于20Hz。研究表明:次聲波的頻率與人體某些器官的固有頻率很接近,一旦產(chǎn)生共振,會(huì)使人心理煩躁、頭痛、惶恐不安,甚至呼吸困難、內(nèi)臟器官受損而致死;次聲還具有極強(qiáng)的穿透性。因此,其在武器方面的應(yīng)用引起國(guó)外武器專家的興趣[1～2]。作為武器,要求次聲波具有一定的方向性和一定的能量。本文采用了相控陣方式,對(duì)次聲波進(jìn)行了聚束定向仿真研究。

2 次聲波矩形陣列法

2.1 次聲波矩形陣列法聚束

如圖1所示,在XY坐標(biāo)面上,共有M×N個(gè)次聲元,陣元間距分別為dx、dy,任意空間向量OP與正Z軸夾角為θ,在XY面上的投影與正X軸夾角為φ,在目標(biāo)點(diǎn)P沿OP指向性函數(shù)為

陣列參數(shù)M 、N 、dx、dy對(duì)波束的影響

當(dāng)陣列參數(shù) M、N 、dx、dy確定后,次聲陣列指向性僅與目標(biāo)方向(θ,φ)有關(guān),如圖2為 M=N=50,dx=dy=4m 時(shí)的波形 。由式(1),當(dāng)D(θ,φ)=0時(shí)可求得波瓣與坐標(biāo)軸交點(diǎn)值θ0+及θ0-,主波瓣寬[3]Δ θ=θ0+-θ0-,得 :

因此 ,Δ θ僅與M 、N 和 dx、dy有關(guān)。設(shè)陣列為方陣,λ=17m,分別討論陣參數(shù)與波瓣的關(guān)系:

1)當(dāng)陣元間距不變,改變陣元數(shù)時(shí)波瓣的變化

設(shè)陣元間距d=4m,增大陣元數(shù)L,由圖3(a)和圖4(a)可知,主波瓣減小,旁瓣數(shù)增多,旁瓣級(jí)降低。

2)當(dāng)陣元數(shù)不變,改變陣元間距時(shí)波瓣的變化

設(shè)陣元數(shù)L=50,增大陣元間距d,如圖3(b)和圖4(b)示,主波瓣減小,旁瓣數(shù)增多,旁瓣級(jí)降低。

圖3 Δ θ隨L、d變化的關(guān)系圖

3)陣元數(shù)與陣元間距之積為恒值時(shí)波瓣的變化

陣元數(shù)L與陣元間距d乘積不變時(shí),即平面陣面積恒定,主波瓣寬度不變,旁瓣電平隨間距的減小而減小(由圖4(c)局部放大處可知)。

2.2 次聲波相位控制陣列法定向

對(duì)空間任意方向欲使聲波輻射能量達(dá)最大,則必須對(duì)各陣元使用相位控制進(jìn)行移相,補(bǔ)償由目標(biāo)位置到各個(gè)陣元波程差引起的空間相位差,即分別控制各聲源的相位延遲角[4～5],使陣內(nèi)各波束的移相相位差δik等于空間相位差γik。當(dāng)波束傳播到達(dá)同向波前(如圖5示),相對(duì)于同向波前等效為同相位波。此時(shí),指向性函數(shù)為

根據(jù)目標(biāo)探測(cè)器測(cè)得目標(biāo)方位(θ,φ),可計(jì)算出 X 、Y 軸向的陣內(nèi)移相角δ x,δ y為:

由波控系統(tǒng)分別控制各陣元激勵(lì)信號(hào)的相位延遲角 δik(=idx+kδy,第(i,k)個(gè)相對(duì)于第(0,0)個(gè)陣元的移相角),在目標(biāo)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精確定向[6],如圖6所示。

圖4 陣元數(shù)、間距與指向性關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

次聲波由于波長(zhǎng)較長(zhǎng),單個(gè)聲源口徑尺寸與波長(zhǎng)相比太小,因此,不具有指向性。把多個(gè)聲元排成陣列,相當(dāng)于增大聲源口徑尺寸,可對(duì)波束匯聚成束。實(shí)時(shí)控制陣列內(nèi)各次聲單元的移相相位差,就能對(duì)目標(biāo)精確定向。波束的寬窄與旁瓣大小受陣列參數(shù)M、N、dx、dy的影響;能否精確定向受相位控制的制約。

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[2]Christopher Stubbs.Tactial Infrasound[R].The MITRE Corporation JASON Program Office,USA,2005,5:43～56

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