水声学原理第六章4

1、College of Underwater Acoustic Engineering1第六章第六章 声波在目标上的反声波在目标上的反射和散射射和散射第十八讲第十八讲 壳体目标上的回波信号、用赫壳体目标上的回波信号、用赫姆霍茨积分方法求解散射声场姆霍茨积分方法求解散射声场College of Underwater Acoustic Engineering2本讲主要内容本讲主要内容n壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号q稳态回波信号稳态回波信号q短脉冲入射时的回声信号短脉冲入射时的回声信号n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场q赫姆霍兹积分解赫姆霍兹积分解q菲涅尔半波带

2、近似法菲涅尔半波带近似法College of Underwater Acoustic Engineering3n壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号q前言前言n声纳目标的结构更类似于壳体声纳目标的结构更类似于壳体n以弹性球壳为例讨论壳体目标回声信号以弹性球壳为例讨论壳体目标回声信号q稳态回波信号稳态回波信号n形态函数随形态函数随ka的变化的变化 充水钢球壳充水钢球壳 回声信号的回声信号的 形态函数形态函数College of Underwater Acoustic Engineering4n壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号q稳态回波信号稳态回波信号n形态函数随壳厚的变化形态函数随壳

3、厚的变化 厚度变化时厚度变化时充水钢球壳充水钢球壳 回声信号的形态函数回声信号的形态函数College of Underwater Acoustic Engineering5n壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号q稳态回波信号稳态回波信号n形态函数随壳厚的变化形态函数随壳厚的变化 内侧为内侧为真空时钢球壳真空时钢球壳回声信号的形态函数回声信号的形态函数College of Underwater Acoustic Engineering6n壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号q稳态回波信号稳态回波信号n形态函数随壳内填充物的变化形态函数随壳内填充物的变化 内侧为内侧为真空时钢球壳真空时钢

4、球壳回声信号的形态函数回声信号的形态函数College of Underwater Acoustic Engineering7n壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号q稳态回波信号稳态回波信号n壳体目标散射声场的空间指向性特性壳体目标散射声场的空间指向性特性 内侧为内侧为真空时钢球壳真空时钢球壳散射声场的空间指向性散射声场的空间指向性College of Underwater Acoustic Engineering8n壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号q短脉冲入射时的回声信号短脉冲入射时的回声信号 短脉冲入射时短脉冲入射时充水球壳充水球壳的回声脉冲的回声脉冲College of Un

5、derwater Acoustic Engineering9n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场 q前言前言n分离变量法只能应用表面规则形状物体分离变量法只能应用表面规则形状物体 n形状不甚规则的物体，经常应用赫姆霍茨积分形状不甚规则的物体，经常应用赫姆霍茨积分方法来求解散射声场方法来求解散射声场 n对于形状规则物体，边界是硬或软边界的简单对于形状规则物体，边界是硬或软边界的简单情况，能给出严格解析解；情况，能给出严格解析解；n对于非规则形状物体，边界条件复杂情况，则对于非规则形状物体，边界条件复杂情况，则应用数值积分法得到数值解，赫姆霍茨积分方应用数值积分法得到数值

6、解，赫姆霍茨积分方法在实际工程中应用较多。法在实际工程中应用较多。 College of Underwater Acoustic Engineering10n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场 q赫姆霍茨积分解赫姆霍茨积分解 设物体位于无限声场中，物体外表面为封闭曲设物体位于无限声场中，物体外表面为封闭曲面面S，它的外法线方向为，它的外法线方向为n；点源位于点；点源位于点A，计算声，计算声场中点场中点B的散射声场。则由赫姆霍茨积分公式得散的散射声场。则由赫姆霍茨积分公式得散射声场为：射声场为： 式中，式中， 为散射声场势函数。利用边界条件，将被为散射声场势函数。利用边

7、界条件，将被积函数中未知量用已知量表示。设物体表面积函数中未知量用已知量表示。设物体表面S是刚是刚性的，则性的，则边界条件边界条件为：为： SikrssikrsdSrennrer2222241sCollege of Underwater Acoustic Engineering11n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场 q赫姆霍茨积分解赫姆霍茨积分解 上式中，上式中， 为入射波势函数。作为近似，在刚性物为入射波势函数。作为近似，在刚性物体表面上散射声场等于入射声场，即体表面上散射声场等于入射声场，即 考虑远场条件有：考虑远场条件有： iSikrSsreiAkn1rn ,

8、cos112rn,cos2222reikrenikrikrSikrSsrAe110SsinnCollege of Underwater Acoustic Engineering12n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场 q赫姆霍茨积分解赫姆霍茨积分解 将以上两式代入散射声场积分公式：将以上两式代入散射声场积分公式： 如果考虑反向散射（收发合置），取如果考虑反向散射（收发合置），取 ，有，有 上两式为上两式为刚性物体的散射声场刚性物体的散射声场的积分解。的积分解。 SrriksdSrnrnrreikAr21212,cos,cos421rrr21 SkrisdSrnreik

9、Ar,cos222College of Underwater Acoustic Engineering13n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场 q费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 n赫姆霍茨积分解需要知道物体表面的曲面方程，赫姆霍茨积分解需要知道物体表面的曲面方程，运算繁琐。运算繁琐。n费涅尔半波带方法是一种近似方法，简化运算费涅尔半波带方法是一种近似方法，简化运算量。量。n赫姆霍茨积分解的物理意义赫姆霍茨积分解的物理意义 物体表面上各点在入射声波的激励下，作为物体表面上各点在入射声波的激励下，作为次级声源辐射次级声波，它们在接收点迭加成次级声源辐射次级声波，它们

10、在接收点迭加成为散射声波，次级声波的相位为为散射声波，次级声波的相位为 ，即，即由声波的往返路程决定。由声波的往返路程决定。)(21rrkCollege of Underwater Acoustic Engineering14n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场 q费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 考虑收发合置情况，它位于考虑收发合置情况，它位于B B点，设物体表面点，设物体表面距距B B点最近的点为点最近的点为C C，距离为，距离为 。以。以B B点为球心，点为球心， 以以 为半径，它与物体相切于点为半径，它与物体相切于点C C，然后半径每，然后半径每次增加次增

11、加1/41/4波长，将物体表波长，将物体表面分割成许多环带，称为费面分割成许多环带，称为费涅尔半波带。相邻半波带的涅尔半波带。相邻半波带的散射波在散射波在B B点声程差为点声程差为 ，相位相差相位相差 。 0r0r2College of Underwater Acoustic Engineering15n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场 q费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 第第 个半波带的散射声场为：个半波带的散射声场为： 如果物体表面共分为如果物体表面共分为N个波带，则总散射声场为：个波带，则总散射声场为： 当物体比波长大很多，且物体的曲率半径较大，则当物体比

12、波长大很多，且物体的曲率半径较大，则N很大，相邻波带的很大，相邻波带的 变化不大，面积也很变化不大，面积也很接近。接近。 iiSkriidSreikArn ,cos222NNs1211rrn ,cosCollege of Underwater Acoustic Engineering16n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场 q费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法第第 个波带产生的反射声波绝对值等于相邻个波带产生的反射声波绝对值等于相邻两个波带散射波绝对值的平均值，即两个波带散射波绝对值的平均值，即 则总散射波为：则总散射波为： 当物体很大时，最后一个费涅尔带的当物体很

13、大时，最后一个费涅尔带的 时，时，第一个费涅尔带的第一个费涅尔带的 ，i1121iiiNNs1153331112121210,cosrn1,cosrn1222SkrisdSreikACollege of Underwater Acoustic Engineering17第六章知识要点第六章知识要点n目标强度目标强度q概念与定义概念与定义q刚性大球的目标强度理论推导刚性大球的目标强度理论推导n常见声纳目标的目标强度的一般特征常见声纳目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度随方位的变化关系及原因潜艇的目标强度随方位的变化关系及原因q潜艇的目标强度随测量距离的变化关系及原因潜艇的目标强度随测量距离的

14、变化关系及原因q潜艇的目标强度随脉冲宽度的变化关系及原因潜艇的目标强度随脉冲宽度的变化关系及原因n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q比较法测量目标强度原理比较法测量目标强度原理College of Underwater Acoustic Engineering18第六章知识要点第六章知识要点n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q直接法测量目标强度原理直接法测量目标强度原理q应答器法测量目标强度原理应答器法测量目标强度原理q实验室测量目标强度注意四项实验室测量目标强度注意四项n简单几何形状物体的目标强度简单几何形状物体的目标强度q刚性球体的目标强度刚性球体的目标强度q有限长柱体正横方向的目标强度有限长柱体正横方向的目标强度n目标回波目标回波q回波信号的形成回