（水声工程专业论文）超临界角入射界面下球体的声散射.pdf

a bs t r a c t t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h i sp a p e ri sd e t e c t i n gb u r i e dm i n e si ns h a l l o w s e a s o m ek i n d so fs e d i m e n ta n dt h ef o r m i n go fb u r i e dm i n e sa r ep r e s e n t e di nt h e p a p e r t h ee n e r g yd i s t r i b u t i o n i nt h es e d i m e n tw a sa n a l y z e d a n dt h ed e p t ho f s h a l l o wb u r yw a sd e f i n e d b yu s i n gt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns p h e r i c a lw a v ef u n c t i o n s a n ds o u n df i e l d so fm u l t i p o l es o u r c e s a n du s i n gt h ee x p r e s s i o n sf o rr e f l e c t e da n d r e f r a c t e df i e l d so fs p h e r i c a lw a v e so nt h ei n t e r f a c e f o r m a ls o l u t i o no fs o u n d s c a t t e r i n go n e l a s t i cs p h e r e l y i n gn e a rt h ei n t e r f a c eo ff l u i d s i sg i v e ni nt h ep a p e r t o t a li n t e m a lr e f l e c t i o nw i l lo c c u ra tt h eg r a z i n ga n g l eb e l o wt h ec r i t i c a l a n g l e b u tt h e r ei se v a n e s c e n tw a v ei n t h el o w e rm e d i u m i no r d e rt os t u d yt h e o b j e c t ss c a t t e r i n gi nt h ee v a n e s c e n tw a v ef i e l d as i m p l i f i e dm o d e l i sg i v e ni nt h e p a p e ra tf i r s t ar i g i d b a l l ss c a t t e r i n gi sa n a l y z e di nt h ee v a n e s c e n tw a v ef i e l d n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nh a db e e nc a r d e do u t k e y w o r d s b u r i e dm i n e d e t e c t i o n c r i t i c a la n g l e s c a t t e r i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的 指导下 由作者本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献的引用已在文中指出 并与参考文献相对 应 除文中已注明引用的内容外 本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果 对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确 方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担 作者 签 7 丝 垒剑 嚣期 炒菩年弓胃矽e t 哈尔滨 翻翌大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 水雷在海战中的起着十分重要的作用 两次世界大战 以及战后5 0 年代 的朝鲜战争 6 0 年代的埃以战争 7 0 年代的印巴战争 越南战争 8 0 年代 的英阿马岛战争 两伊战争 9 0 年代的海湾战争 2 0 0 3 年在伊拉克姆盖斯尔 发生的水雷战等等 都用了水雷 并且在战后的历次冲突和局部战争中 水 雷都发挥了重要的作用 如完成了对港口的封锁 切断海上交通线以及阻止 敌人登陆等 随着时代的进步和技术的发展 水雷更加受到了各国海军的重 视 各种新型水雷不断研制成功 这也将为反水雷战提出了更多更复杂的难 题 在当今社会 由于人类自身和经济的发展 全球性的人口 资源和环境 之间的矛盾变得越来越尖锐 与此同时 随着有争议岛屿周围油气资源的发 现和开采 随着有关国家海域划界的逐渐展开 海上斗争的热点还将继续增 加和激化 通过对近几十年世界海战的重新定位思考 各国海军关注的焦点 是保证在沿海岸线敌人设置的水雷区域中进行作战和通行的安全 水雷造价较低 使用方便 布易扫难 效费比高 适用大量生产和大量 布放 它可单独使用 也可与其它兵器 兵力配合使用 协同作战 目前为 止 出现的比较先进的水雷有 集束式水雷 自掩式水雷 非触发沉底雷 组合引信沉底雷 自航水雷 核装药水雷 声纳浮标水雷 重力引信水雷 三联引信沉底雷 1 等 按照在水中的位置不同可以分类为 漂雷 锚雷 沉 底水雷 掩埋或部分掩埋水雷 其中沉底 掩埋或部分掩埋水雷并不降低对 舰船的威胁 并且使得反水雷作业更加复杂 对于掩埋水雷的探测识别目前 尚无可靠的技术手段 特别是对于浅海环境 远距离探雷声纳必然是小掠射 角情况下工作 对于小掠射角和小于临界角时声波透入海底沉积层的机理研 究 声波透入的能量关系 实验测量方法以及目标掩埋在海底沉积层中的回 波特性等研究曰益受到重视 对于入射声波小于临界角入射时沙层中仍有声 波存在的现象 已经有一些理论对其进行了解释 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 2 国内外研究现状 为了提高猎雷声纳作用距离 探测掩埋或半掩埋雷 各国都在努力寻找 新的猎雷技术 1 宽带低频声纳 高频声纳探测距离近 且不能穿透海底沉积层 无法探测掩埋雷p 1 美 国华盛顿大学应用物理研究室 a p l 用数米孔径的水听器阵和2 k h z 一2 0 k h z 的宽带信号在甚浅海中进行探测 通过对各种模拟雷的试验结果表明 它可 以穿透沉积层探测掩埋雷或半掩埋雷 2 被动宽带仿生声纳 海豚拥有一套复杂的宽带声纳系统 它可以在混响和噪声环境下检测 辨别目标 利用相同的检测技术可以在噪声背景或称为 声日光 中检测辨 别水下目标 d r g e e i ng o o 等人在s p i e t h ei n t e r n a t i o n a ls o c i e t yf o ro p t i c a l e n g i n e e r i n g 国际光学工程学会会议上提出利用g 一变换检测目标的宽带回 声 在 p h i 域中表示目标特性信息 不同目标产生的回声拥有独特的变换 信号 将这些独特的信号作为输入 通过神经网络系统 用来探测和识别水 雷和水雷状目榭驯 3 利用回波结构来识别水雷 过去远程探雷声纳只提供探测信息 而对于回波结构的分析 可以同时 获得关于水雷几何形状信息和弹性结构信息 目标回波是在入射声波激励下 产生的一种物理过程 目标回波是散射波的一部分 是入射波与目标相互作 用后产生的 有关目标本身的特征信息被调制在回波上 不同材料弹性目标 由于纵波速和横波速的相对值不同 即使形状相同 它的散射频率特性差异 也很明显 此时弹性信息是一种可利用的特征信息 对有限长弹性圆柱壳 带有球冠型头部的柱壳模型的回波结构已经有了很多研究 其研究结果使得 对水雷目标特性有了更深入的认识 为水雷的探测和识别奠定了一定基础p 1 4 参量发射阵探雷 采用声成像法是基于高频窄波束 抑制混响的同时获得目标的声学图像 和其阴影的声图像 但是缺点是工作频率高 目标的探测距离不可能很远 声波从沉积层透射回来的散射波几乎为零 且窄波束基阵系统需要很好的稳 2 哈尔滨 f 程大学硕士学位论文 定装置 否则极易丢失目标 为了适应远距离 大深度 探测掩埋雷的需要 采用了参量发射阵方法 来减小波束宽度 降低工作频率 提高作用距离雕 它是通过两个高频小尺 寸基阵发射两个不同频率的大振幅波信号 利用大振幅波在水介质传播过程 中的非线性作用 产生和频和差频 其中差频波束与原信号主瓣相当 如果 把两个原信号频率选取的足够高 就可以获得窄的低频波束 这种声束具有 良好的分辨率 较好酌抗混响能力 衰减较小 僵最大缺点是效率 受低 几 千瓦的发射功率只能产生几十瓦的差频波 同时由于接收阵是常规阵 由于 孔径的限制 常规波束形成在低频上波束变宽 导致分辨率降低 自适应旁 瓣抵消技术可以提高对目标的分辨率 5 旁视 参量 合成孔径技术 即在旁褫声纳的基础上 融入参量声纳技术 然后又融入合成孔径技术 北约萨克兰特研究中心 s a c l a n t c e n 首先提出旁视参量声纳的设 想翰渊 参量式旁视声纳的接收阵包括薹6 个基元 基元闻距8 2 m m 声孔径 1 3 m 参量发射换能器 t o p o g r a p h i cp a r a m e t r i cs o n a r 的原频中心频率为 4 0k h z 差频中心频率6 k h z 可发射多种宽带和长度的r i c k e r 信号和l m f 信号 接收阵对差频信号形成波束 经过检测处理 对海底声照射区成像 而且t o p a s 参量阵对接收的高频信号以同样的方式进行处理和显示 实验获 得了在3 0 7 5 0 m 距离上对目标的成功检测 不论探雷声纳采用何种工作方式 声波能量透入到海底沉积层的机理研 究 特别是以低于 临界篇 的掠射焦入射在海底界面时所产生的海底会质 中的声波透射问题一直受到学者们的关注 在掠射角低于临界角入射时 造 戒海底透射的机理研究 皇上世纪 年代至今始终没有间断过 最初的研究 是有限波束入射的问题 认为声波空间的有限宽度致使声波为各不同角度入 射的平面波的迭加 所以波束凰低于临界焦入射 但其中含有掠射角大于l 恣 界角的平面波成分滞 随着b i o t 多孔介质理论的发展和应用 8 0 年代起多孔 海底介质中慢纵波造成在低于临界角入射下声波透射的机理的研究出现p q 9 0 年代后 海底表蘑不平整和菲均匀波场造成掠射角低予临界角声透射的机 理也受到重视 m a g u e r 等砂质底声透射的实验研究表明渊 在5 7 k h z 以下 3 哈尔滨1 程人学硕十学位论文 非均匀波是造成低于临界角透射的主要原因 而在高频下主要是海底表面的 粗糙程度起主要作用 并且t h o r s o s 等的理论研究结果表明p 1 1 用多孔介质慢 纵波解释的透射现象用海底粗糙界面的散射同样可以解释 彭临慧等人用 b i o t 多孔介质 粘弹性介质和液态介质三种海底模型对声波在海底的反射和 透射进行了理论计算和分析h o 结果表明 三种海底模型下纵波 快纵波的 声反射和声透射是完全一致的 剪切波的声透射比纵波的声透射低1 2 个数 量级 在海底声透射研究中可以忽略剪切波的影响 关于掩埋物回声的理论计算 l i m 和h a r r y 等人都分别尝试用t 矩阵方 法进行计纠捌 汤渭霖和范军采用物理声学方法 k i r c h h o f f 近似 来计算掩 埋物体回一1 5 1 在对海底作出一些假定之后 将自由空间中的k i r c h h o f f 近似 推广到掩埋情况 并由此导出了一种计算掩埋物回声的近似公式 然后再结 合底质的地声模型和回声计算的板块元方法能够计算任意形状凸光滑表面掩 埋物的回声特性 但是这种方法的前提假设条件是声波掠射角大于临界角 即下层介质中传播正常折射波 关于掩埋物的回波测量国外很多学者进行了研究 h a r r y 等人在宽8 m 长1 0 m 深7 m 的实验室水池中进行了掩埋物回波测量实剃删 m a g u e r 等人 在法国g e s m a 实验基地进行了探测掩埋目标实验团1 由m i t 和 s a c l a n t c e n 合作进行的g o a t s 9 8 实验 地点是在意大利e l b a 岛m a r c i a n a 码头 实验测量了掩埋球壳和圆柱壳的回 波 叫 这些实验虽然实验环境不同 但其共同点都是测量了不同掠射角时掩埋目标的回波 并且得到一个相同的 结论 可以在小掠射角时探测掩埋目标 1 3 本论文的主要内容 本文主要以探测掩埋雷为研究背景 首先对浅掩埋深度进行了定义 并 通过理论分析和实验室环境下的水池实验验证了这种定义的合理性 详细介 绍了水池中进行的掩埋目标探测实验 声波大于临界角入射时的情况 对掩 埋目标声散射建立了数学模型 并进行了相关的理论公式推导 针对声波小 于临界角情况下 下层介质中出现的非均匀平面波中目标的散射问题 建立 了非均匀平面波中球形目标散射的数学模型 并对模型进行了数值计算 对 其结果与均匀平面波中的散射进行了对比分析 4 哈尔滨下程大学硕七学位论文 i i iii i ii 宣ii 茹ii薯 第2 章声探测意义下物体掩埋深度的分析 2 1 海底沉积层和水雷掩埋形成机理 2 l 王海底沉积层 按海底地形划分 或按水深和离岸距离来划分 海洋沉积物可划分为三 种主要类型 1 深海沉积物 包括大洋盆地和深水的沉积物 2 陆坡沉 积物 即次深海沉积物 3 陆架沉积物 即浅海区的沉积物 三种沉积物 中 浅海区沉积物受纬度 气候 季节的影响 尤其水动力 波浪 恒流 潮汐等 因素引起的沉积物的成分变化最强烈 适合布放水雷的浅海区的地 质大致可以分为岩石礁盘海底 砂质贝壳混合海底 砂质海底 泥浆海底和 淤泥海底翻 在这四种海底条件下 泥浆海底和淤泥海底最容易造成掩埋 而这种海底又多在繁忙的港口区和江河阴水域 海底沉积物的物理力学性质主要包括沉积物的湿密发 含水率 孔隙度 颗粒中值粒径 颗粒酉分含量等 声学性质主要有沉积物中的纵波速度 横 波速度 纵横波速度院 声衰减系数和声阻抗等 海底沉积层的声学性质和物理力学性质关系密切 在2 0 世纪5 0 6 0 年 代 l i b e r m a n n 和m a c k e n z i e 等入用脉冲声源和水下定深炸弹对不同类型的海 底进行了声波传播反射损失的现场测量 b i o t 和s t o l l 等人则从理论上探讨了 声速等参数同多孔液态饱和介质构成物质粒度 含水量 孔隙率等关系 h a m i l t o n 从1 9 5 5 年开始研究海底沉积物声学特性和物理特性的关系 并在 1 9 8 2 年总结以前的研究和一些新的实验成果的基础上 详细论述丁空隙率 密度 平均颗粒度 纵波速度 声阻抗等一系捌物理参数和声学参数的测量 和数据分析 并对它们之间的相关性作了全面的分析和讨论p 1 对于大陆架 沉积物 纵波速度圪 m s 和密度p 的关系如下式所示 其中拶是标 准方差 一2 3 3 0 4 1 2 5 7 0 p 4 8 7 7 p 2 盯 3 3 2 一1 纵波速度同平均颗粒度m 的关系 圪 1 9 5 2 5 8 6 2 6 m 4 1 4 m 一2 9 2 2 5 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 1 2 水雷掩埋形成机理川均 对水雷掩埋状态的了解和对水雷掩埋机理的理解对反水雷作战具有战略 意义 水雷的掩埋方式有两种 一种是自掩埋 如瑞典的b g m 6 0 1 邦尼水雷 可以通过简单的振动很快被掩埋在砂质和泥浆海底中 另一种是自然掩埋 是由自然条件所致 其中 自然掩埋是主要的掩埋方式 对于自然掩埋的机 理研究 德国国防水声和地球物理研究所 f w g 研制了一型掩埋记录水雷 利用配置在其上的光学传感器持续记录水雷被掩埋的状态和过程 该项研究 持续进行了3 0 年 取得了6 6 0 0 天的记录数据 促进了对掩埋机理的理解 冲击掩埋 在波浪影响下的冲刷掩埋以及水下沙丘移动引起的周期性掩埋 继德国之后 奥姆尼技术公司 o t i 和美国海军研究实验室 n r l 开发了自记式水雷 同样也是利用光学方法纪录水雷掩埋状态 可记录水雷 方位 横滚与纵倾的变化 由于光学技术的某些弱点 o t i n r l 研发了新一 代仪表水雷 水雷呈圆柱状 长2 0 3 3 m m 直径5 3 3 m m 全部水雷质量约9 0 0 k g 平均密度约1 9 8 4 k g m 3 壳体由青铜制成 见图2 1 利用加速度计和电罗经 测量横滚 纵倾和方位 利用三轴加速度计探测水雷滚入冲刷坑内时所发生 的运动以及水雷在稀释海底上的运动 压力传感器测量潮汐变化和表面重力 波有关的海底压力波动 声相干多普勒传感器可测量水雷周围流体的动力流 速 根据流速和由声反向散射计算的沉积物浓度值可估算沉积物的运送速率 通过已发表的文献可以总结出自然掩埋主要有以下原因 1 冲刷掩埋 由波浪 潮汐引起的海底冲刷引起砂质海底对水雷的掩埋 2 冲击掩埋 强风暴引起的海底冲击加快沉底水雷的掩埋速度 3 沙丘迁移掩埋 海底大波痕或砂波或沙丘的迁移引起水雷的周期性掩 埋 4 初始插入掩埋 由于水雷自身重力在淤泥海底很容易形成的完全掩埋 或在砂质海底的部分掩埋 6 丝鳖竺尘兰型兰丝 兰 目她摊 0 群 一 j 瑚 图2 1 研究掩埋形成机理的仪表水雷 2 2 声探测意义下浅掩埋深度的定义及其解释 在不同海底底质条件中 砂质海底 泥浆海底和淤泥海底容易形成水雷 的掩埋 而掩埋程度的区分只是在通常意义下的浅掩埋和深掩埋 在此 针 对容易形成掩埋的不同海底底质条件 根掘进入到沉积层中的声波形式和声 波能量在海底介质中的分布情况定义了浅掩埋深度 对于砂质海底而言 当声波以小于临界角入射到海底时 在界面下所产 生的非均匀平面波所占据的深度定义为浅掩埋深度 大于此深度为深掩埋 对于泥浆海底和淤泥海底 可以认为是一个渐变水平分层界面 根据射线声 学理论 当声波以某一掠射角入射到海底时 会出现声波只在沉积层表面传 播的临界声线 定义此 临界声线所占据的深度及以下非均匀波所占据的深度 为浅掩埋深度 大于此深度为深掩埋 关于此种定义的合理性本章分别从下 面四个方面进行了解释 2 2 1 平坦光滑界面 认为沙层是均匀流体 忽略其中的横波 s h e a r w a v e 1 其与水形成 一个平坦的界面 当声波以大于临界掠射角入射到沙底 形成反射波和折射 波 当声波以小于临界角入射时 发生全反射的同时 在沙层中会形成非均 匀波场 e v a n e s c e n tw a v e 竹均匀波的振幅髓深度的增加作指数衰减 如 图2 2 所示 哈尔滨t 程犬学硕士学位论文 对于入射平面波 蔹一a l e 甜一岭蜘岛 z 雠岛 z 0 2 3 其中 4 是入射声波振幅 k l 是上层介质中的波数 色是入射角 对应 的掠射焦为9 0 4 一最 当噻大予全内反射角使 a r c s i n q c 时 下层余质中 的折射波场为 热 2 c o s a a x e k 1 8 i 一岛 2 姥肛却缸盼 z 0 2 4 其中 l 七 缸 尼 是下层介质中的波数 a a r c t a n f 警l 当4 1 c 2 c l 一1 1 3 全内反射角6 2 2 即临界角为2 7 8 q 一1 5 0 0 m s 尹 2 0 k h z 掠射角分别为 1 5 羔o 条件下 可以 得到下层介质中非均匀平面波振幅随深度变化的曲线 如图2 3 所示 从图 中可以看出 随着掠射角的减小 非均匀平面波幅度随深度衰减的速度增大 但在小于裕界免的各掠射焦条件下 非均匀平面波所占据的深度大约在一个 波长左右 弋 旗辨角广 界面 漓遗 图2 2 平坦界面声波的反射与折射 8 哈尔滨t 程大学颂十学伉论文 图2 3 非均匀平面波振幅随深度变化的曲线 2 2 2 粗糙随机起伏界面 认为沙层界面是粮糙的界蕊掰l 文献 2 重l 对平坦界瑟纛粗糙界慈时声波传 播过程进行了模拟 e 1 t h o r s o s 同样假设沙层是流体介质而忽略横波 应用 积分方程的方法计算了连续正弦波情况下的声场分布 他给出了包如 1 1 3 临界角为2 7 8 p 2 n 2 0 啪一o 6 6 2 0 k h z c 1 1 5 0 0 r r g s 条 件下 界面上 下的2 维空间的声压场分布 其中h 2 是粗糙界面高度平方的 平均值 如图2 4 所示 图2 4 中声波是从左边以掠射角2 0 入射到界面 颜色表示声压大小 图a 是平坦界面情况 图中下层介质中是非均匀平面波 图b 是糨糙界面情 况 下层介质中在0 1 0 c m 之间仍是非均匀平面波占主要部分 在更深处也 有少量声波能量存在 另外 s i m p s o n 和h o u s t o n 阎实验室测量了声波穿透界面的声场 并人 为改变界面的粗糙程度 他们发现随着粗糙程度的增加 穿透的声场也有明 9 哈尔滨j 样人 产硕l 学位论文 显的增大 m a g u e r 等人测量了2 1 5 k h z 频率范围内 声波在小于临界角入射 情况下沙层中能量情况 发现在小于5 7 k l z 是非均匀平面波 e v a n e s c e n t w a v e 引起的 大于5 7 k h z 时是由于粗糙界面引起的 b 1 6 0 品 4 0 罐 2 2 3 渐变水平分层界面 把水一沉积层界面看作是逐渐分层的界面 即水到沙层的一个过渡过程 根据美国麻省理工学院与北约萨克兰特研究中心于1 9 9 8 年在意大利 e l b a 岛m a r c j a n a 码头的g o a t s 9 8 实验 测量得到的此浅海水域的沉积层中 声选分布 声波频率2 0 0 k h z 如下罔 蚰帅 卸伯0 卸 铀 i q 譬 哈尔滨一l 程大学硕 学位论文 2 3 e 暑 凸 h i 穹 夕 j 飞 图2 5 声速分布 利用射线声学中的s n e l l 折射定律 c o s a c z c o s a o c o 不考虑声波 衰减 把沉积层认为是流体介质 当声波分别以掠射角1 5 0 2 7 0 3 0 从水中 入射到沉积层中时 在沉积层中的声线轨迹分别为图2 6 所示 声波以某一掠射角进入到沉积层中 因为介质中声速逐渐增加 其折射 角也越来越大 最终会在菜一深度处发生全反射 又逐渐返霉到上层介质 在发生全反射以下的深度 有非均匀波的存在 考虑图2 5 中的声速分布情 况 会发生全反射的最深的深度应该是 5 c m 处声速由大变小的分界深度 所 以此种海底界面情况下 可以定义浅掩埋深度为声速分界深度与下方的非均 匀波所占据的深度之和 当然 实际海底中声波传播是一个很复杂的过程 这里只是在理想假设 之下的分析 其定义的合理性还需进一步验证 哈尔滨一日呈大学硕 学位论文 o 一 c 苣 o 图2 6 声线轨迹 2 2 4 粗糙随机起伏界面下声场分布及掩埋目标回波测量实验 进行了两次实验室环境下的水池掩埋实验 具体实验将在下一章进行详 细介绍 两次的实验结果显示 对于发射信号为调频范围3 3 0 4 6 0 k h z 的 l f m 信号 小于临界掠射角探测掩埋目标 掩埋深度大约在1 0 c m 左右时 接收信号经瓯配滤波处理之后 可以观测到微弱的掩埋目标回波信号 掩埋 深度为2 0 c m 左右时 观察不到目标回波信号 同时进行的掩埋水听器实验 也证实了在2 0 c m 深度时 沙层中的声波能量已经很微弱瑟壤擒 2 3 本章小结 本章针对容易形成掩埋的不同海底底质条件 根据进入到沉积层中的声 波形式和声波能量在海底介质中的分布情况定义了浅掩埋的深度 并分别从 四个不同方面阐述了这种定义的合理性 对于其中的水池掩埋实验将在第三 章进行详细介绍 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第3 章实验室环境下的水池掩埋实验 3 1 沙层的物理及声学参数 由2 1 节的介绍可以知道 泥沙层的物理参数和声学参数有着密切的关 系 不同的泥沙层会对实验结果产生不同的影响 本实验所用的泥沙属于细 泥沙 通过对泥沙样本的测量 得到了泥沙层的参数如下表3 1 图3 1 是沙 层粒度的分布 表3 1 沙层的部分物理及声学参数 泥沙屡番量加权的平均颗粒密度 0 1 2 m m 固体颗粒平均密度 2 6 9 9 m l 泥沙层含水饱和密度 1 9 5 9 m l 泥沙层空隙度 4 3 8 实测泥沙层中声速 1 6 2 3 m s 实测泥沙层中声衰减系数 0 9 1 4 d b 入 图3 1 沙层粒度的分布 1 3 哈尔滨丁徉大学硕士学位论文 3 2 实验设计 为了验证理论分析的结果 我们进行了两次实验室环境下掩埋目标回波 测量实验 实验水池长4 m 宽1 5 m 深1 2 m 见附录b 中图b 1 池底铺 有3 5 c m 左右厚的细沙 水面距水 沙表面约7 0 c m 如图3 2 所示 a 处为收 发合置换能器水平位置 可以进行上下 左右 前后三个自由度移动 附录 b 图b 2 换能器主波束以一定角度 可调 入射到沙底 附录b 图b 3 b 处为掩埋壳体模型的水平位置 所用收发合置换能器为工作频率在3 3 0 k h z 4 6 0 k h z 的圆面活塞式宽带换能器 3 d b 波束宽度为1 0 附录b 图b 5 b 6 所用目标模型是一端为半球另一端为平面的铁圆柱壳体 直径5 8 c m 圆柱 体长1 76 c m 附录b 图b 4 以声波垂直照射圆柱轴线的姿态掩埋在沙层中 发射信号为调频范围3 3 0 k h z 4 6 0 k h z 脉宽长度0 5 m s 的线性调频信号 沙 层中声速取1 6 2 3 m s 水中声速为1 5 0 0 m s 计算得到临界角为2 2 实验过 程中 收发合置换能器在轨道上以间隔5 锄水平移动 每移动一次采集一次 数据 然后改变换能器的掠射角重复以上测量 在第二次的实验中 为了测量进入到沙层中一定深度时的声波能量 在 掩埋壳体的同时 掩埋了一个圆柱形水听器 如图3 2 中的水平位置c 处 同时为了数据分析与处理的需要 在掩埋水听器位置的沙层上方2 5 c m 处悬 挂一无指向性的参考水听器i 实验仪器包括 信号发生器 功率放大器 信号放大器 滤波器 示波 器 采集器等 仪器连接框图如图3 3 在采集掩埋水听器和水听器1 的接收 信号时 仪器连接稍有变化 图3 2 实验装置图 坠尘堡 垒查兰堡 兰堡篁兰 图3 3 仪器连接框图 3 3 实验结果与分析 实验过程中 收发合置换能器在轨道上水平移动 当波束没有照射到掩 埋目标的位置时 接收到的是沙底的混响信号 照射到目标时 同时接收到 混响和目标回波信号 本文中分别给出不同掠射角情况下 接收信号的幅度 伪彩图 并给出了与原始发射信号拷贝相关处理 即匹配滤波处理 后的幅 度伪彩图 第一次掩埋实验 掩埋深度约1 0 c m 图3 4 中给出掠射角依次分别为 5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 2 0 1 5 时 接收信号经过拷贝相关处理后的幅 度伪彩图 对应的原始信号幅度伪彩图在附录图b 9 中给出 门 l h 甜 哈尔滨丁程人学硕士学位论文 j u 1 m 箍 p 自 p r艮 兽 mh忡ur r隔忏 惜op ir lrl斟忆 汀二兰二二 i 窒垒兰 型奎茎竺 兰丝兰圣 1 m 赢 p 自1 5 目 图3 4 第一次掩埋实验数据处理结果 l h 叶 hu i l 件 二 l r阡 竺二 什且r 哈尔滨工程人学硕士学何论文 第二次掩埋实验 掩埋深度约为2 0 c m 右 同样在图35 种给出了掠 射角依次分别为5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 时 接收信号经过 拷贝相关处理后的幅度伪彩图 对应的原始信号幅度伪彩图在附录b 图b 1 0 中给出 相关月 掠肘 5 0 度时伪影圈 o o 1 柏轨器度揣2 2 2 0 2 4 0 2 相差后琳射角4 5 度时伪彩圉 1 蒜 2 2 2 0 2 o h川二二 ui i 百h 坩 目矗 窒玺玺 垒奎兰至 兰丝兰兰 l 一rq l t r r o 毛 目 目咻 自3 5 目 西n二 二二二 二二 卜瞄 i 二 二 叫 篁垒鎏 垒奎茎至圭尘堡兰兰 1n fq 5 rj 二i 帽关1 掉封角2 0 度伪彩图 一 轨道刻度帕n 一 轨道 8 度 c m 图3 5 第二次掩埋实验数据处理结果 l m 忆 酽 骱 r l甲川hll旧i 毫工目 l 暗尔滨r 程大学硕士 位论文 从两次的实验结果都可以观察到 髓着掠射角的不断减小 目标回波信 号与混响信号都减小的同时 信混比也不断降低 不同的是第一次实验在掠 射角小于临界角时还可以分辨出回波信号的存在 第二次实验在掠射角小于 临界角时完全观察不到目标回波信号 为了进一步验证掩埋目标的实验结果 在第二次实验中 我们测量了掩 埋水听器的接收信号 掩埋深度也是约为2 0 c m 左右 为了得到入射到掩埋 水听器处界面附近的入射波直达信号 在c 处距沙底2 5 c m 处悬挂参考水听 器1 在每个掠射角情况下 采集完掩埋水听器的接收信号后 把a 处的发 射换能器上升2 5 c m 保持与上升前同样的状态并采集水听器1 的接收信号 此时得到的直达波信号与界面反射波在时间上是可以区分开的 直达波认为 是在采集掩埋水听器时到达水 沙界面水平位置c 处的声波信号 图3 6 分别 是入射声波掠射角为3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 时掩埋水听器接收到的 信号 图中大括号所包括范围是接收到的进入沙层中的线性调频信号 从图 中可以看到 在掠射角大于临界角时 声波入射进沙层中的能量很大 掠射 角小于l 临界角时 仍有声波能量进入到沙层中 但能量很小 图3 6 不同掠射角下掩埋水听器接收的信号 声波进入到沙层巾一定深度经过两次能母损失 即透射损失和沙层的吸 收损失 为了表示声波进入到沙层巾一定深度时的损失 文献 3 1 定义了穿 哈尔滨工程大学硕十学位论文 j 辞 p e n e t r a t i o nr a t i o 郇j 概念 即对于某一频率的信号 从界面上某点a 处透 入到沙层中某点b 处 b 点处声压信号与a 点处声压信号的幅度平方的比 值为a b 之间的穿透率 用公式表示为 l e r f l l 2 咝 i a i 1 2 k j j lj 其中 咫为a b 之间的穿透率 只 弓分别是界面上某点a 处和透入到沙 层中某点b 处的声波声压 可以得到在不同掠射角下 声波透入沙层2 0 c m 时的穿透率随频率变化的曲线 如图3 7 所示 铝 一 凹 山 图3 7 穿透率随频率变化曲线 图3 7 显示在深度约在2 0 c m 左右时 掠射角大于临界角情况下 各掠 射角的穿透率相对变化不大 小于临界角时 穿透率迅速减小 3 4 影响实验结果的因素 3 4 1 影响掩埋目标回波测量实验结果的因素 进行了两次实验室环境下掩埋目标回波测量实验 从整个的实验过程和 数据分析结果 可以得到以下几方面对实验结果有主要影响的因素 一 两次实验都是在同一水池坏境下进行的 但两次掩埋实验时沙层表 2 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 面的不平整性不能人为控制 界面的变化可能会对实验结果产生影响 在两 次实验掩埋的过程中 操作人员尽量保持界面平整 以降低因界面的不同对 实验结果的影响 二 掩埋深度的控制精度有限 壳体是在水池中保留一层水的条件下掩 埋的 目的是为了避免沙层中存在空气泡会对实验结果产生影响 也可以缩 短实验周期 掩埋完成后 利用细杆插入沙层来测量掩埋深度 这样就会带 来比较大的深度误差 三 收发合置换能器掠射角的控制误差 从附录b 图b 2 中可以看到换 能器的固定装置 角度的调整是把换能器取出水面 利用量角器进行测量 调整好角度之后再把换能器放入水中 在整个的操作过程中 会引入角度的 控制误差 不过实验对角度的要求并不是非常苛刻 此误差并不影响对实验 结果的分析 四 另外还有掩埋壳体的水平位置 换能器水平移动位置的误差 但这 些误差并不影响对结果的分析 3 4 2 影响掩埋水听器实验结果的因素 影响掩埋水听器实验结果的因素主要有下面几个方面 一 为了测量进入到沙层中一定深度时的声波能量 在沙层中掩埋了一 个水听器 首先通过己知标准水听器的灵敏度 附录b 图b 7 对掩埋水听 器在水中的灵敏度进行了校准 得到掩埋水听器的灵敏度曲线 见附录b 图 b 8 本文中用水中灵敏度作为一种近似 没有修正因掩埋在沙层中而带来的 灵敏度的变化 二 通过校准掩埋水听器的灵敏度 可以看到灵敏度随频率变化非常的 剧烈 实验中我们只用到了相对平坦的4 1 0 k h z 4 6 0 k h z 的范围 虽然在数 据处理的过程中 理论上可以根据灵敏度对数据进行修正 但实际中并不能 完全消除对结果的影响 三 水听器自噪声和环境噪声的影响 观察图3 6 中接收信号的波形 可以发现噪声很大 特别是在小掠射角的情况下 接收信号几乎淹没在噪声 之中 噪声的存在降低了实验结果的可信度 特别是对于小掠射角情况 四 悬挂水听器1 的目的是测量入射到界面表面处的声波信号 实验过 哈尔滨工程入学硕士学位论文 程中 是测量完掩埋水听器的接收信号之后 上升发射换能器 上升高度即 为悬挂水听器距离沙底界面的高度 然后测量悬挂水听器1 的接收信号 由 于掩埋水听器掩埋了一定的深度 还有上升发射换能器之后 测量得到水听 器1 的信号并不是精确入射到掩埋水听器位置处的信号 不过 我们的掩埋 深度并不是很深 这种测量方法不会影响对结果的分析 五 由于实验环境的限制 实验所用信号频率太高 应采用更低频信号 保证掩埋水听器尺寸相对于波长很小 这样所测量的结果才更合理 3 5 本章小结 本章详细介绍了两次掩埋不同深度的实验室水池掩埋实验 两次的实验 结果显示 对于发射信号为调频范围3 3 0 4 6 0 k h z 的l f m 信号 小于临界 掠射角探测掩埋目标 掩埋深度大约在1 0 c m 左右时 接收信号经匹配滤波 处理之后 可以观测到微弱的掩埋目标回波信号 掩埋深度为2 0 c m 左右时 观察不到目标回波信号 同时进行的掩埋水听器实验也证实了在2 0 c m 深度 时 沙层中的声波能量已经很微弱 2 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第4 章界面下球体的散射 声波通过界面的正常折射进入到下层介质 对于下层介质中界面附近弹 性球的声散射 由于界面的存在使得散射问题的计算非常复杂 本文借鉴文 献 1 7 中的计算上层介质中界面附近弹性球散射问题的方法 理论推导下层 介质中界面附近弹性球的散射问题的相关公式 其思想是利用各阶球面波与 多极子组合声场的对应关系 直接使用各阶球面波在介质分界面上的反射和 折射声场表示 得到平面波在位于两层流体界面附近弹性球的散射问题的级 数形式解 4 1 建立数学模型 如图4 1 所示情况 平面波以入射角反射向两种流体介质界面 p 2 c 岛 c 1 分别是上层和下层介质的密度和声速 下层介质中有一半径为口 密 度为 9 l a m e 参数分别为a 的弹性球 球在界面下方 距界面距离为z n 以球心为坐标原点建立坐标系 为了书写方便 以下公式中省略时间因子项 f 螂 图4 1 界面下球体的散射 由于界面的存在 从物体上散射的波可能在界面和物体之间发生多次反 射和散射 但是 绝大多数情况下多次反射的声波不能沿原方向返回 当掩 埋体是凸光滑表面时只有当反射声线和界面垂直时才可能返回入射方向 但 哈尔滨f i 程大学硕十学位论文 这种情况很少发生 此外又由于下层介质中波的衰减严重 多次反射波衰减 很快 综合考虑这两个因素 可以忽略界面引起的多次反射声的贡献 5 1 上层介质中 声场可以分为三部分 1 入射平面波 e a d 幽岛一 螂岛 4 1 r 一 2 入射平面波在界面上的反射波 v e a 2 蝣 a z c o s 岛 4 2 3 下层介质中目标球的各阶球面波在上层介质中形成的折射波 2 2 a o a 1 l 4 3 下层介质中 声场也可以分为三部分 1 入射平面波的折射波 d p 嘲p 5 岛一 2 一钿 a 4 5 2 目标球在自由场中散射的各阶球面波 2 一屯 以 砖1 切 c o s b c o s 优a 4 6 3 目标球所散射的各阶球面波在界面的反射波 磊磊 2 一k 4 一平 川 4 7 其中 屈是平面波在下层介质中的折射角 v d 分别为反射和折射系 数 表示如下 y a k 2c o s f l 2 k c o s f l 4 8 a k 2c o s 展 七1c o s 届 d 兰里塾竺鱼 p 一如删 a k 2c o s f l 2 k 1c o s 6 1 k ls i n f l l k 2s i n 殷 4 9 4 1 0 哈尔滨 f 稗人学硕士学位论文 p p 2 4 1 1 吃 e 豌2 戈s i n 如一z c s 彬p 次2 陋n z c o s 4 也 摹0 罗0f 2 61 么1 l 2 一 j y 7 竹 u l 咒 红 p 积1 x s n 一 z 一钿 c o s q c o n o 0 2 一 m 咒h o f c s 0 1 0 1 c s 研口 4 1 3 1 2 一 l c o s c o s 研口 4 竹 u l 所 o v 0善f 2 61 4l l 咒 班 n 2 伽j 珂v y 其中 吐珂 所 v 朋 分别为 n m 阶球面波在界面上反射和透射声场 4 2 各阶球面波在界面上的反射波与折射波的计算 文献1 1 7 给出了各阶球面波在介质分界面上的反射波和折射波的计算 在此引用如下 首先建立如下图坐标系 图4 2 坐标系 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 取点声源所在位置坐标为 x o y z 流体界面为z 0 的平面 并设 足 0 妒 为以 x o y 做原点的球坐标系 因而有 f x x o 置s i n o c o s q y y o rs i n o s i n o 4 1 4 z z o c o s 口 令q 0 o h i 白r 昂 c o s o 为单极子声源在无限均匀介质中声场的势函 数 则q 0 o 对 y 毙 的一阶偏导 分别对应于沿 y 毙 方向的偶极子声 场势函数 各高阶偏导将分别对应于不同组合形式的多极子声场势函数 利 用已知的球面波与多极子组合的一般对应关系 硝 缸r 芹 c o s 岛 c o s 9 一等高e 印删挚咖r 舭0 0 出 1 5 已知单极子声源所发出的球面波在流体界面上反射和透射的声场势函数 分别为 其中 卜f 恭e i l q v l z z o 切 4 1 6 v o o f 去剁 叻 咖 棚 4 1 7 瓜i 河而了 扛孑 吃 厩f 4 1 8 利用已知的球面波与多极子组合声场的一般对应关系 可以得到反射或 折射声场有 瞄卜器端j r 融c o s 专汹n 训鞫班 哈尔滨工程大学硕十学位论文 4 1 9 将上式中被积函数中算符项按二项式定理展开 并代入v o m o o 的具 体表示 经过计算 可以得到 w 挪 一 c o s 搬妒 f 黑8 抖执厶 锄r 掣 暑砌 4 2 0 j o 口馥 识 弘 v 芦 c o s m q 广 l 一 毡钿 叩 厶 k t r e v 1 r i d r l 4 21 jo o u t 执 8 4 3 系数的计算 考虑弹性球表面的边界条件 对于弹性球来说 若话为球振动时各点的 位移矢量 磊为球体中作用在垂直子球矢径面上的应力矢量 由弹性体振动 方程式 由参考文献 1 7 可得荔 元的一般表示式为 减 蟊耋薹 2 一屯 盟 堕 气掣五 墨 掣 潲艿 c o s 珑妒 蠢驴屯 卜掣 去杀眦帆 卜 2 一 k 岛l 砖墨 乞 4 2 2 f m 露 蟊薹薹 2 6 0 m 卟眦咖2 掣 脚酬槲 杀融训 第 c o s o c o s m p 一 哈尔滨1 1 稗大学硕十学何论文 薹耋仁一屯 仁2b 一厶 吒足 薹驴讪聃r 云融 乙 4 2 3 其中 吒 弓分别为弹性介质中纵波与横波波数 表示如下 酲 羔 4 2 4 旯 2 7 碍 譬 4 2 5 系数瓦 乇 乞二为一组正交矢量 蟊为弹性球矢径方向的单位矢量 若瓦 瓦分别表示以球心为原点的球坐标系中沿秒与口增加方向的单位矢 量 则乇 乙分别定义如下 乇 瓦号掣 眦孟筹 s 岫聊妒 4 2 6 乞 瓦孟掣 c o s 秒 c o s m q 瓦等掣s i n m 驴 4 2 7 弹性球表面处的边界条件为 f z 鹕鲲k i 舾 髑 帆f 蚋 2 8 卜i 即 吗 o 可以得到 钱 4 2 9 0 lk 哈尔滨工程人学硕 学位论文 2 z d 1 五 如露 1 舻一薯t 宰卜 川 一 4 30 uu i u i 以一孕 竽五面 如 露2 17 一番妻 彤 c o s 口 噬一碍 l 伽 2 歹 吒口 2 以以 九 1 乏 丛掣 一f 州j 印s m 屈s i n 们 j d p 却 崩删 妻以 似1 即 第 c s 引 彳 训 m o 1 2 4 3 1 塞 等 删 小掣船露 f 埘丢 厶 印s 趣绞s i n 8 脚凇岛倒誓 塞如畔 和 第 s 秽 戈 例 m o 1 2 以上两式中 可以设定一定的精度 对盼 似表示 求得相应的k 瓯 的值 4 4 本章小结 4 3 2 等截取有限项来近 针对声波掠射角大于临界热情况 本章借鉴文献 1 7 中计算上层介质中 界面附近弹性球散射闯题的方法 建立了对应的数学模型 推导了下层介质 中界面附近弹性球的散射问题的相关公式 并给出了公式中未知量的计算方 法 3 1 哈尔滨下程大学硕士学位论文 第5 章非均匀波场中球体的散射 5 1 建立数学模型 由于入射声场的非对称性 非均匀平面波场中球体的散射不同于均匀平 面波场中球体的散射 但解决问题的思路相同 即把球的散射信号看作为不 同阶球面波的合成 同时 把入射的单频非均匀平面波也分解为许多振幅不 均匀分布的同频球面声波的合成 然后根据球面上径向振速等于零的边界条 件 求出各阶散射波的复数振幅 以及球面散射波的声波强度 如图5 1 所示 取球心坐标为坐标系原点 为了保持习惯中用到的坐标 显示 取非均匀平面波入射方向为z 轴正向 此处不考虑界面的影响 y 图5 1 非均匀波场中刚性球的散射 同时取球心处为球坐标系的原点 有下面的坐标转换关系 慝z r 烹c o s 怒o 严哆 5 1 l 驴 o h 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 当入射波为均匀平面波时 入射波可以写为 a z t p o p 舭 b p o e 一静 e 衙 根据文献 1 8 中关于均匀平面波中刚性球的散射问题求解 场写为下式表示 见 羔 只 c o s 们碟 打 e 妇 通过求解系数a 可以