水中規則波紋表面球回聲特性研究

彭茜蕤，周彥玲，范軍

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水中規則波紋表面球回聲特性研究

彭茜蕤，周彥玲，范軍

(上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

運用聲吶目標回聲特性預報的板塊元方法，研究了平面波入射水中規則波紋(正弦平方曲線波紋)表面球體的目標回聲特性。分析了表面波紋高度、周期、入射平面波頻率和入射方位角對聲目標強度空間分布和頻率響應特性的影響規律。討論了不同頻段目標強度空間分布特性的形成機理，得到了表面波紋參數與目標強度頻率響應和空間分布特性的近似定量關系。通過水槽實驗測量得到了3D打印的規則波紋表面尼龍球目標強度的頻率響應和空間分布特性，測量結果與理論計算結果吻合較好。掌握規則波紋表面球體回聲特性，有助于開展利用聲學超構材料對散射聲場調控的研究。

波紋表面；回聲特性；目標強度

0 引言

粗糙表面聲散射研究是一個既有理論意義又有實際意義的問題[1]。對粗糙表面回聲(反向散射)特性的研究可應用于醫療超聲、超聲無損檢測、海底和海面混響建模與抑制、海洋浮游生物分類和探測等方面。從Lord Rayleigh開始，對粗糙表面聲散射已經進行了長期的研究。大多數水中粗糙表面聲散射的研究都以起伏海底、海面聲散射和混響建模為背景[2-4]，針對粗糙平面聲散射進行研究，其中，粗糙表面假設為滿足高斯統計分布的隨機起伏平面或正弦起伏平面。研究的方法包括Kirchhoff近似方法、基于瑞利假設的微擾方法、積分方程方法以及小斜率近似方法等。部分針對水下粗糙曲面目標聲散射開展研究，T. K. Stanton針對水下浮游生物聲散射，基于Sommerfeld-Watson變換和變形柱方法，研究了滿足高斯統計分布的隨機粗糙表面的拉長彈性柱體目標平均散射聲場[5-7]，P. Jansson基于從Helmholtz 積分方程推導得到的零場方法，研究了滿足高斯統計分布的隨機粗糙表面球形目標的聲散射特性[8]。

確定性規則波紋(正弦波紋、正弦平方波紋只是其中的子類)表面目標是隨機粗糙表面目標的一個特例，無論表面起伏幅度和斜率的大小程度如何改變，其散射聲場總是相干的，這就使人們可以更為深入地研究粗糙表面目標的聲散射特征，如J. A. Fawcett[9]采用Kirchhoff/衍射混合方法研究了具有正弦平方波紋起伏的剛性球和剛性圓柱的寬帶脈沖信號聲散射時域特征，但針對具有規則波紋表面的水下曲面目標聲散射特性的研究較少。近年來，以目標表面微結構設計為基礎的人工聲學超材料的研究發現，表面規則波紋(狹縫)可以產生許多新的物理現象[10-11]，如人工牛眼結構就是平面表面上由多個周期性同心凹槽組成的，這也可以看成是一類具有規則波紋結構的目標，這類人工牛眼聲學結構可以引起聲波異常透射和聲波能量的單向傳輸。掌握規則波紋表面目標回聲特性有助于開展利用聲學超構材料對散射聲場調控的研究。

本文應用聲吶目標回聲特性預報板塊元方法，研究了平面波入射到水中規則波紋(正弦平方曲線波紋)表面(剛性和非剛性)實心球體目標的回聲特性；分析了表面波紋高度、周期、入射平面波頻率和入射方位角對聲目標強度空間分布和頻率響應特性的影響規律，討論了不同頻段目標強度空間分布特性的形成機理；并開展了3D打印的規則波紋表面尼龍球回聲目標強度的頻率響應和空間分布特性的水聲水槽測量實驗。

1 規則波紋表面球體目標

本文采用平面內滿足式(1)的正弦平方波紋曲線繞軸旋轉得到的三維規則波紋表面球作為典型目標開展研究，其表面方程見式(2)。

在計算仿真中假設表面具有以下兩種聲學特性[12-13]，假設1是剛性表面，表面滿足式(4)的剛性邊界條件，假設2是非剛性表面，表面滿足式(5)的邊界條件：

2 回聲特性預報的板塊元方法

基于Kirchhoff 近似所建立的板塊元方法是一種相對較為成熟的對聲吶目標中高頻回聲特性進行預報的數值方法[12]。對于收-發合置的情況，基于物理聲學或Kirchhoff 近似的非剛性聲吶目標的遠場目標強度(TS)為[13]

板塊元方法首先將目標的三維幾何表面進行空間板塊離散劃分，用一組三維平面板塊來近似復雜形狀的目標曲面，一般采用三角形板塊進行劃分。所有板塊的散射聲場之和就是總散射聲場的近似值。算法中將單個三維板塊變化到局部二維平面，式(10)中的面積分則轉化為與板塊頂點坐標相關的代數運算，如式(11)所示，從而避免了面積分運算，提高了計算速度。

假如劃分為個平面板塊，則式(10)可以寫成：

板塊元方法比通常的面元積分法計算速度快，不僅適用于遠場、剛性目標的回聲特性預報，還可推廣應用于近場和非剛性表面的回聲特性預報，目前板塊元方法已經較為廣泛應用于聲吶目標中高頻回聲特性預報[15-18]。

本文將采用板塊元方法對規則波紋表面球回聲特性進行仿真計算，需要說明的是目前考慮的波紋球波紋起伏相對較小，計算中忽略了聲波在波紋凹槽之間的多次散射[19-20]。

3 數值計算與分析

以正弦平方波紋球為例，采用板塊元方法對其回聲特性進行數值仿真。波紋球的半徑=0.3 m，在仿真中假設球面為剛性邊界條件。

3.1 目標強度的頻率響應特性

圖2 不同ξ條件下的波紋球目標強度頻率響應(a) φ=0°；(b) φ=90°

3.2 目標強度的空間分布特性

圖3 波紋球目標強度的空間分布特性

由圖3可以看出，在低頻(2 kHz)處波紋球目標強度的空間分布基本是均勻的，如圖中虛線所示，接近光滑球的目標強度空間分布，即波紋效應沒有體現。隨著頻率的升高，波紋球目標強度隨入射角變化呈現“花瓣狀”峰谷空間分布，并且頻率越高“花瓣狀”峰谷結構分支越密集。相對來說，=8的波紋球目標強度呈現的“花瓣狀”峰谷分支結構比=5的更為密集。

值得注意的是，當頻率升高到波紋效應呈現的頻段，目標強度“花瓣狀”峰谷空間分布的峰谷與波紋球表面波紋的峰/凹槽結構基本對應。并且隨著頻率升高到不同的頻段，目標強度“花瓣狀”分支峰谷結構對應表面波紋結構的不同部分。圖4為=8的波紋球局部放大圖。

圖4 表面波紋局部結構

按如下原則得到頻段劃分近似公式：

圖5 頻率-角度譜

因正弦平方波紋球具有局部多鏡面反射(波峰、谷凹槽、凹槽斜線)，使得其散射聲場在空間形成多峰結構，這種多峰結構與入射波頻率、入射角度緊密相關，可以通過調整表面波紋周期、起伏幅度對散射聲場的空間分布特性進行調控。

4 聲散射實驗

4.1 實驗布局

圖6 3D打印的波紋實驗模型和實驗布置圖

4.2 實驗數據分析

圖7 目標強度的實驗與數值計算結果對比

5 結論

通過板塊元數值計算和實驗，研究了平面波入射水中規則波紋(正弦平方曲線波紋)表面球體的目標回聲特性。結果表明：低頻時波紋高度、周期對聲目標強度基本沒有影響，隨著頻率的升高，多鏡面反射(波峰、波谷凹槽和凹槽斜面)的影響清晰顯示出來，且波紋高度越高和周期越大，聲目標強度起伏越大、峰值越密集。通過水槽實驗測量得到了3D打印的規則波紋表面尼龍球目標強度的頻率響應和空間分布特性，測量結果與數值計算結果吻合較好。規則波紋表面球體回聲特性的掌握有助于開展利用聲學超構材料對散射聲場調控的研究。

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Echo characteristics of a regular corrugated surface ball in water

PENG Xi-rui, ZHOU Yan-ling, FAN Jun

(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Echo characteristics of a regular corrugated (sine squared curve) surface sphere in water with an incident plane wave are investigated by using the planar elements method which is used for forecasting echo characteristics of sonar targets. The effects of surface corrugation’s height, period, incident plane wave frequency and incident azimuth angle on the spatial distribution and frequency response characteristics of acoustic target strength are analyzed. The formation mechanism of the spatial distribution characteristics of target strength in different frequency bands is discussed. The approximate quantitative relationship between the parameters of corrugated surface and the spatial distribution as well as the frequency response characteristics of target strength is obtained. The target strength of the 3D printed regular corrugated surface nylon sphere is measured in acoustic tank. The measured spatial distribution and frequency response characteristics of target strength are in good agreement with the theoretical results. A thorough understanding of the echo characteristics of regular corrugated surface sphere is helpful for conducting research on controlling the scattering sound field by using the acoustic metamaterials.

corrugated surface;echo characteristics; target strength

TB556

A

1000-3630(2018)-06-0528-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.06.003

2017-12-13;

2018-03-15

國家自然科學基金(11774229)資助項目。

彭茜蕤(1993－), 女, 湖北武漢人, 碩士, 研究方向為水下目標聲散射。

范軍,E-mail: fanjun@sjtu.edu.cn