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水下复杂结构收发分置空间散射声场特性研究

摘要

水下主动声呐技术作为一种重要的水声探测工具，在海洋领域具有广泛的应用前景

和深远的研究意义。水下复杂结构收发分置空间散射声场特性研究，对声纳信号处理和

水下通信等方面具有重要的应用价值。

本文首先对水下结构收发分置散射声场的计算方法进行了简要介绍和理论推导，以

刚性小球为例，通过数值计算方法和理论解验证了有限元法和边界元法的有效性。然后

基于边界元方法的计算结果，以刚性回转结构为研究对象，验证了板块元法和高频压力

声学法的有效性，并对各种散射声场计算方法的效率进行了对比分析，提出适用于水下

复杂结构收发分置的空间散射声场特性计算方法。

其次采用二维轴对称有限元方法，对壳内不同填充物、双层壳以及双层环肋壳水域

部分的散射声压、总声压以及不同结构收发分置的声目标强度进行了计算分析，并讨论

了不同结构对于水下弹性结构散射声场特性的影响。

最后采用高频压力声学法讨论分析了不同入射频率下刚性回转结构的空间散射声

场，得出水下结构关于入射频率对散射声场特性的影响规律。以BeTSSi潜艇模型为研

究对象，探究了多入射频率和多入射角下该模型收发分置的空间散射散射声场特性，并

对比分析了不同条件下该模型的空间散射声场的分布和声目标强度指向性。此外，还对

该模型的单子结构和多子结构声目标强度进行了贡献量分析。

本文研究发现，在高频下采用高频压力声学法可以很好地近似水下结构的收发分置

声目标强度，具有准确度高和计算效率高的优点。水下结构内部填充水能够在一定范围

内降低声目标强度。此外，研究还揭示了声源的入射频率和入射角度对水下目标散射声

场特性的影响规律。在探测水下目标时，合理摆放接收器的位置以及优化子结构，有助

于优化整体结构以降低声目标的强度，进而提高其隐身能力。

关键词：收发分置；声目标强度；回转结构；有限元法；高频压力声学法

水下复杂结构收发分置空间散射声场特性研究

Abstract

Asanimportantunderwateracousticdetectiontool,underwateractivesonartechnology

hasbroadapplicationprospectsandfar-reachingresearchsignificanceinthemarinefield.The

researchonthecharacteristicsofthespatialscatteringsoundfieldoftheunderwatercomplex

structurehasimportantapplicationvalueinsonarsignalprocessingandunderwater

communication.

Inthispaper,thecalculationmethodofthescatteringsoundfieldoftheunderwater

structureisbrieflyintroducedandtheoreticallydeduced.Takingtherigidballasanexample,

theeffectivenessofthefiniteelementmethodandtheboundaryelementmethodisverifiedby

numericalcalculationmethodandtheoreticalsolution.Then,basedonthecalculationresults

oftheboundaryelementmethod,thevalidityoftheplateelementmethodandthe

high-frequencypressureacousticmethodisverifie