水下航行体尾流内波对声场空间特性的影响研究.pdf

水下航行体尾流内波对声场空间特性的影响研究

摘要

随着科技不断提升，水下航行体自噪声等级逐渐降低并接近海洋环境噪声等级，

因此发展水下航行体的探测技术非常重要，其中声学探测方法具有良好的传播特性、

灵活的适应性以及较高的分辨率和可靠性的优势，并且研究发现海水的密度通常存在

分层差异，当水下航行体在分层流体中运动时会产生尾流内波，会使海水的温度、密

度以及静压力受到影响，进而影响流体声速分布并影响流体中声波的传播，因此尾流

内波可以成为追踪水下航行体的目标信号。通过研究这些变化特点总结声场变化与尾

流内波的相关性，实现对水下航行体的探测，所以研究水下航行体尾流对声场的影响

具有重要意义。本文基于流场数值计算理论和射线声学理论，研究了水下航行体在分

层流体中运动产生的尾流内波对声场空间特性的影响。

首先，建立层流中的圆柱绕流模型，对利用有限元方法计算出的流场结果进行验

证，而后建立混合分层流体中的实尺寸水下航行体三维模型，计算在不同航行深度和

航行速度下流体的流速、温度以及声速的变化。

其次，提取受尾流扰动后流体声速的稳态结果，建立弹性海底的浅海水平非均匀

声传播模型，研究声源频率和声源深度对声传播的影响，并选取合适的声源频率和声

源深度研究航行速度与航行深度对声传播损失、声信号到达结构以及声场空间相关性

的影响。

最后，将实测的海洋环境参数代入前文所用的声传播模型中，将计算得到的声传

播损失结果与实验数据进行对比，验证选用的声传播模型的准确性。在此基础上研究

在实际海洋环境中水下航行体产生的尾流流场以及声场的影响。

研究表明，航行体尾流对声速场的影响比较明显，受尾流扰动后声场结构也发生

变化，引起局部声压的改变，此外，声源频率、声源深度、航行体航速以及航行深度

都会对声场产生不同程度的影响。

关键词：分层流体；计算流体力学；尾流内波；声场特性

水下航行体尾流内波对声场空间特性的影响研究

Abstract

Withthecontinuousimprovementofscienceandtechnology,theself-noiselevelof

underwatervehiclesgraduallydecreasesandapproachesthatofMarineenvironment.Therefore,

itisveryimportanttodevelopthedetectiontechnologyofunderwatervehicles.Acoustic

detectionmethodhastheadvantagesofgoodpropagationcharacteristics,flexibleadaptability,

highresolutionandreliability.Whenunderwatervehiclesmoveinstratifiedfluids,wake

internalwaveswillbegenerated,whichwillaffectthetemperature,densityandstaticpressure

ofseawater,andthenaffectthedistributionoffluidsoundvelocityandthepropagationofsound

wavesinthefluid.Therefore,wakeinternalwavescanbecomethetargetsignalfortracking

underwatervehicles.Bystudyingthecharacteristicsofthesechanges,thecorrelationbetween

soundfieldcha