声诱饵简化模型隔离度数值仿真计算

徐盛瀛 刘雨东

（上海船舶电子设备研究所，上海，201108）

随着鱼雷目标识别和反对抗技术的不断发展，对于声诱饵系统的性能要求也日益增高。采用实时收发技术，即边收边发技术可以有效减少转发信号的时延，提高声诱饵系统的模拟逼真度。所谓边收边发技术，是指声诱饵系统在发射模拟己方舰艇辐射噪声以及鱼雷主动寻的信号模拟回波的同时，可以不间断地对鱼雷主动寻的信号或辐射噪声进行检测和估计[1]。实现此技术的难点在于如何减小声诱饵发射端对于接收端的干扰，即如何增大声诱饵发射端和接收端的声隔离度。

声隔离度的定义为声学系统中的接收端信号与发射端信号的差值[2]。根据以往的经验，增大隔离度的主要方式为增加发射端与接收端距离的空间隔离、设计利用接收和发射换能器的指向性隔离、利用声障板结构进行隔离以及发射信号的自适应抵消等[3]。此外，随着对吸声材料的深入研究，也可以考虑采用在声诱饵发射端或接收端敷设吸声材料的方式进行隔离度的改善。

卢笛[4]利用非轴对称激励轴对称结构声辐射或声散射有限元数值分析方法[5]，建立了数值计算模型。由于简化后的声诱饵模型具有二维轴对称结构，因此本文在此基础上，利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件建立了简化声诱饵隔离度二维轴对称数值计算模型，主要对发射端与接收端的空间衰减、在发射端或接收端敷设吸声材料以及声诱饵内部存在舱壁板结构等情况下，对声诱饵系统隔离度的影响进行了计算，并对结果进行了简要分析。

1 数值仿真模型

1.1 球形声源数值计算模型

由于声诱饵系统发射信号可近似等效为球面波，因此首先建立球形声源的数值计算模型。均匀球面波声场中任意一点声压与振源表面振速的关系为[6]

利用式（1），计算半径为0.05 m、表面声压为1 Pa的球形声源声场，结果如图1所示，图中的扇形区域为距离声源中心处3 m的波阵面。分别计算距离声源中心1 m、2 m和3 m处的声压级，结果如表1所示，数据符合球面波衰减规律。

图1 球形声源声场计算结果

表1 球形声源声场声压级计算结果

1.2 简化声诱饵二维轴对称数值计算模型

依据文献[4]中的方法，建立简化声诱饵模型的二维轴对称数值计算模型。模型示意图如2所示，声诱饵总长度为3 m，壳体厚度10 mm，材料为铝。发射换能器等效的球形声源位于声诱饵尾部正下方，为一半径0.05 m的小球，表面声压大小为1 Pa。计算频率为10 kHz，声诱饵系统的接收端位于声诱饵模型头部。

图2 简化声诱饵模型示意图

首先计算声诱饵系统发射端与接收端的空间衰减产生的隔离度。计算发射换能器分别距离声诱饵尾部0.1 m、0.5 m和1 m，即声诱饵系统发射端与接收端分别距离3.1 m、3.5 m和4 m时，声诱饵接收端的声压级，结果如表2所示。

表2 收发端距变化时接收端声压级计算结果

根据表2的计算结果，由于声诱饵受到球面波激励，壳体产生的振动会使其表面处的声压级大于无声诱饵存在时该点的声压级；随着发射换能器与声诱饵尾部距离的增大，声波的空间衰减逐渐增大，接收端声压级逐渐减小。

计算在声诱饵表面敷设吸声材料时对接收端声压级的影响，吸声材料的敷设示意图如图3所示。分别计算发射换能器与声诱饵尾部距离0.1 m时，仅在声诱饵头部、尾部及头尾部均敷设吸声材料三种情况下，接收端的声压级大小，敷设吸声材料的厚度为10 mm，计算结果如表3所示。

对比表2和表3的计算结果可以看出，在声诱饵表面敷设吸声材料可以增大声诱饵的隔离度；仅在声诱饵头部敷设吸声材料的声隔离效果比仅在尾部敷设时效果明显；同时敷设的声隔离效果比单独敷设的效果更明显。

图3 声诱饵模型敷设吸声材料示意图

表3 敷设吸声材料时接收端声压级计算结果

接下来计算在声诱饵内部增加舱壁板时对于声诱饵隔离度的影响。舱壁板厚度为10 mm，与声诱饵壳体厚度相同，计算在声诱饵内部分别增加一个、两个和三个舱壁板时声诱饵的隔离度，内部增加舱壁板时的声诱饵示意图及计算结果见图4和表4。

图4 声诱饵内部加舱壁板示意图

表4 内部加舱壁板时接收端声压级计算结果

根据表4的计算结果，当仅增加一个舱壁板时，由于舱壁板的振动，会导致声诱饵接收端的声压级比无舱壁板时略有增加，但随着舱壁板数量的增加，球面波激励的负载逐渐增大，会使声诱饵接收端的声压级逐渐减小。

2 计算结果对比

对简化声诱饵模型隔离度的计算结果进行比较。选取未敷设吸声材料、内部无舱壁板、发射换能器距离声诱饵尾部0.1 m时，声诱饵接收端声压级作为参考值SPLref，计算其他情况下的声诱饵接收端声压级SPL与SPLref的差值Δ，即

由式（2）可知，Δ越小，声诱饵系统的隔离度越大；当Δ＜0时，声诱饵系统的隔离度得到改善，当Δ≥0，声诱饵系统的隔离度没有改善。计算结果如表5所示。

表5 不同情况下声诱饵接收端声压级对比

根据表5的计算结果，可以直观地看出，随着发射换能器与声诱饵尾部距离的逐渐增大，Δ越来越小，即声隔离度越来越大；与单独敷设相比，同时在声诱饵头部和尾部敷设吸声材料时的Δ更小，声隔离效果更好；仅在声诱饵内部增加一个舱壁板时，Δ＞0，即声诱饵隔离度没有改善，但随着舱壁板数量的增加，Δ逐渐减小，声隔离度增加并改善。

3 结论

本文利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件建立了简化声诱饵隔离度二维轴对称数值计算模型，计算频率f=10 kHz时，在三种情况下对声诱饵系统的隔离度进行了计算。得到结论：

（1）随着发射换能器与声诱饵间距离的增大，声波的空间衰减增大，声诱饵系统的隔离度会增加；

（2）在声诱饵表面敷设吸声材料可以增加声诱饵系统的隔离度，在声诱饵头部敷设比在尾部敷设效果明显，头部和尾部同时敷设比单独敷设的效果明显；

（3）当声诱饵系统内部存在数量大于1的舱壁板时，可以增大隔离度，且随着舱壁板数量的增加，隔离度也增大。