基于聲固耦合的水下復雜目標聲散射研究

周 燁, 溫 瑋, 韓建輝, 楊日杰

基于聲固耦合的水下復雜目標聲散射研究

周 燁, 溫 瑋, 韓建輝, 楊日杰

(海軍航空大學 戰勤學院, 山東 煙臺, 264001)

針對現有簡單模型對水下實際目標的仿真逼真度較差的情況, 利用COMSOL聲固耦合算法以及完全匹配層對二維潛艇簡單模型受激勵后的散射聲場進行了數值仿真分析。利用ANSYS有限元分析軟件對相同簡化模型進行計算對比, 計算結果基本吻合, 驗證了COMSOL在計算大型目標散射聲場時的有效性。最后以某型潛艇結構為原型構建了內部艙室結構及結構材料屬性, 提高了模型相對于實際目標的逼真度, 仿真了受激勵后的再輻射聲場。其結果可對水下主動探測裝備發展提供參考。

潛艇; 散射聲場; 聲固耦合; 完全匹配層

0 引言

水下目標聲散射可看作目標受激勵后的再輻射過程。隨著電子計算機技術的不斷發展, 有條件對水下目標散射聲場進而對主動聲吶回波信號進行較為精確的數值仿真, 避免了頻繁進行海試試驗, 節省了大量的人力物力[1]。通過相關文獻發現, 國內對于水下結構的散射聲場數值仿真大都采用有限元與邊界元相結合的方法, 并在工程應用方面取得了良好的結果[2], 但只是針對簡單模型進行仿真。近年來, 有學者利用新型多物理場耦合分析軟件COMSOL Multiphysics進行了簡單形狀模型以及小型加肋殼體模型的嘗試[3]。初步驗證了利用該軟件計算目標散射聲場的可行性, 但未見更復雜模型的仿真報道。而更加真實的目標結構建模在仿真應用中又是不可忽略的, 因此文中借助COMSOL軟件對復雜潛艇艙室結構進行了聲固耦合數值仿真分析, 為提高主動聲吶回波信號仿真逼真度提供了有效借鑒。

1 理論研究

1.1 聲場有限元結構

對于模擬無限場條件下的數值計算, 一般需要構造一個有限的求解域[4], 通過對求解域內進行有限剖分, 建立結構體和流體的有限元方程求解[5], 并且對結構連接處進行部分網絡細化, 如圖1所示。由于聲波主要在流體中進行傳播, 可以將流體看作特殊的聲學介質, 將其離散化, 在只考慮體積應變相關力的同時忽略剪切應力[6]。但是因流體粘性等原因導致的速度耗散無法忽略, 并且其介質屬性可以給出相應的阻抗或者反射邊界條件[7]。對于可壓縮的絕熱流體環境, 可以給出運動方程[8]

圖1 簡單潛艇模型網絡剖分及精細化結構處理

假設流動是非定常的, 不考慮對流帶來的影響。對于無粘性、線性和可壓縮流體, 聲壓值和體積模量與應變有關, 可以表示為

式中:為體積模量; 剩余項表示體積應變。

1.2 聲固耦合

將流體結構看成彈性體介質。在流固界面上會產生流體負載, 同時聲壓也對結構體產生彈性應力[10]。結合流體波動方程和結構動力方程可以計算彈性結構表面的位移和聲壓。對于波動方程

應用其變分形式

又因為聲場內聲壓滿足入射聲場和散射聲場的疊加, 故有

將其代入式(4), 可得

對于各向同性的均勻線彈性體, 其結構方程可以寫成

2 模型仿真

2.1 簡單潛艇目標模型

為了在無限水域中建立有限元模型, 需要阻絕模型邊界反射對于目標聲場的影響。這里引入Berenger提出的完全匹配層(perfectly matched layer, PML), 其主要是在目標周圍構造起一個封閉空間, 散射聲波到達PML時, 會迅速衰減吸收, 構造出一個無反射邊界, 從而不會影響空間內的散射聲場[10-11]。為精確計算結果, 整個模型采用自由三角形網絡進行剖分, 如圖1所示。建立潛艇模型長度為50 m, 直徑8 m, 指揮臺高度2 m, 長5 m, 外圍包裹厚度為2 m的PML。模型材料設定彈性模量為203 GPa, 泊松比為0.29, 密度為7 880 kg/m3, 流體聲速設定為1 500 m/s, 密度為1 000 kg/m3, 設定平面波沿軸正半軸入射。在進行網絡剖分時, 為了達到較為精確的結果, 空間步距應該小于輻射波長的1/6。

2.2 有效性驗證

利用COMSOL可進行簡單形狀的水下目標數值分析, 已經有人通過對比解析解以及實驗驗證了其有效性[12-13], 但是對于大型復雜形狀的水下目標數值仿真是否仍然保持準確并沒有相關介紹。由于ANSYS在計算水下復雜目標聲散射方面已被業界廣泛接受, 為了驗證COMSOL在計算大型潛艇目標時的有效性, 使用ANSYS分析軟件建立相同模型進行仿真計算, 并將結果進行對比。圖2顯示了在距離潛艇艇艏10 m和200 m處的散射聲壓級仿真結果。

由圖2可以看出, 2種計算方法在大型目標模型計算上有很好的一致性, 反映了COMSOL在分析大型潛艇模型聲散射方面具有可行性。同時, 由于自身具有強大的后處理功能, 針對三維目標其可以直接生成三維輻射方向圖, 如圖3所示。

通過對比仿真相同多物理場耦合模型時ANSYS軟件和COMSOL軟件的計算時間可發現, 隨著仿真模型單元格數量的增加, COMSOL表現出在計算多物理場耦合高效性, 如圖4所示。

圖2 距離潛艇艇艏10 m和200 m處的散射聲壓級仿真結果

圖3 500Hz平面波激勵下的輻射方向圖

圖4 計算效率對比

2.3 復雜水下潛艇結構仿真

為了更加真實地模擬潛艇散射聲場特征, 需要考慮其內部艙室構造所帶來的影響。文獻[5]運用二維模型處理水下結構的仿真問題, 設計了針對軸對稱目標的二維有限元數值計算方法, 證實了利用COMSOL所建立二維目標散射模型同樣可以反映真實的水下聲場環境, 同時節省了大量的計算時間, 使得建立復雜精細的艙室結構模型仿真得以實現。如圖5所示, 在COMSOL中依據某型雙殼潛艇構造建立二維仿真模型, 在內殼與外殼處建立肋狀結構模擬支撐板。

圖5 潛艇艙室結構建模及內部支撐結構

如圖6所示, 設定潛艇目標在水下150 m處類比三維模型, 在水體四周設立完美匹配層來模擬無限場。建立潛艇模型長度50 m, 指揮臺高度2 m, 長5 m, 外圍包裹厚度為1 m的PLM層。潛艇外殼設定為鋼鐵材質, 模型材料設定彈性模量為203 GPa, 泊松比為0.29, 密度為7 880 kg/m3, 聲速為5 880 m/s。內殼設定為鈦合金材質, 設定彈性模量為117 GPa, 密度為4 500 kg/m3, 泊松比為0.35, 聲速為6 100 m/s。設置典型聲速剖面, 如圖7所示, 橫坐標為深度, 縱坐標為水中聲速, 與簡單模型背景聲場相同, 采用一系列特定頻率平面波以0°入射, 計算模型受激勵后的響應。

圖6 水體環境建模

圖7 聲速剖面

通過仿真計算, 得出距離艦橋上方50 m處的單殼體模型與艙室結構模型的散射聲壓級曲線, 分別如圖8和圖9所示。

圖8 單殼體模型散射聲壓級曲線

圖9 結構模型散射聲壓級曲線

由圖8和圖9可以發現, 2種模型在數值上大致接近, 但是精細化的艙室結構散射曲線明顯比單殼體模型要平滑很多, 這說明橫梁以及支撐板組成的結構對于潛艇表面振動產生了明顯的抑制作用。由于計算結果代表了模型在一組特定頻率下的散射聲壓級, 結果表明兩者均在低頻處產生了比較高的峰值, 且考慮艙室結構后其對于低頻信號激勵后的響應更加劇烈, 結構之間的相互影響加大。下面考慮聲波在不同垂直方向角度的入射情況, 仿真在0°和45°入射平面波時, 其距離艇艏前10 m處的散射聲壓級曲線如圖10和圖11所示。由圖可知, 仿真后的不同垂直方向角的改變對于模型聲散射的影響在于低頻響應的微弱改變, 對于散射聲壓級曲線的大體趨勢影響不大。

圖10 45°入射散射曲線

圖11 0°入射散射曲線

接下來考慮正橫方向入射時目標的散射聲場情況, 建立潛艇縱切面模型, 如圖12所示。

所建立模型直徑8 m, 外殼以及支撐桿為不銹鋼耐壓殼, 厚度為1 m, 內殼為鈦合金材料, 材料屬性同上文。對比水平方向角0°與90°的聲散射仿真結果如圖13所示。

由圖13可以發現, 在以90°水平角入射時, 也就是在正橫方向, 對更多低頻的信號響應明顯, 且散射聲強加大, 結構之間相互影響力增加。

圖12 潛艇橫切面模型

圖13 水平方向角0°與90°的聲散射仿真結果

3 結束語

文中通過ANSYS和COMSOL針對同一模型的仿真對比, 驗證了COMSOL在復雜形狀目標數值仿真方面仍能保持有效性。隨后利用COM- SOL的PML以及多物理場耦合模塊仿真了大尺度下的精細艙室結構潛艇模型, 并與單殼體潛艇模型進行對比, 說明了艙室結構相對于單殼體在受迫振動上有一定的抑制作用且對于低頻激勵響應比較強烈, 為主動探測設備發展以及潛艇消聲提供了一定啟示。當然, 文中建立的仿真模型包括設立的PML只是為仿真潛艇艙室結構下的近場聲場環境。針對目標的遠場聲場可以利用COMSOL自帶遠場計算模塊來計算自設條件下的遠場聲場, 如何在復雜環境參數包括環境噪聲以及混響下仿真目標的遠場回波情況將是下一步工作的重點。

[1] 孫乃葳, 李建辰, 萬亞民, 等. 基于改進板塊元法的潛艇目標強度預報仿真[J]. 魚雷技術, 2016, 24(4): 254-259.Sun Nai-wei, Li Jian-chen, Wan Ya-min, et al. Simulation of Submarine Target Strength Forecast Based on Improved Planar Element Method[J]. Torpedo Technology, 2016, 24(4): 254-260.

[2] 于福建, 王斌, 張培珍. 起伏海底掩埋目標聲散射特性數值仿真[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(6): 533-536.Yu Fu-jian, Wang Bin, Zhang Pei-zhen. Numerical Simulation on Acoustic Scattering Characteristics of Targets Buried in Fluctuating Seabed[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2018, 26(6): 533-536.

[3] 繆旭弘, 錢德進, 姚熊亮, 等. 基于ABAQUS聲固耦合法的水下結構聲輻射研究[J]. 船舶力學, 2009, 13(2): 319-324.Miao Xu-hong, Qian De-jin, Yao Xiong-liang, et al. Sound Radiation of Underwater Structure Based on Coupled Acoustic-structural Analysis with ABAQUS[J]. Journal of Ship Mechanics, 2009, 13(2): 319-324.

[4] Liu B, Niu W, Ruan X Z, et al. Observation of Small Polaron and Acoustic Phonon Coupling in Ultrathin La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3 Structures[J]. Physica Status Solidi(RRL)-Rapid Research Letters, 2019, 13(5): 1800657(1 of 6)-1800657(6 of 6).

[5] 張冠軍, 朱翔, 李天勻, 等. 雙層加筋板水下聲振耦合特性研究[J]. 船舶力學, 2019, 23(1): 78-87.Zhang Guan-jun, Zhu Xiang, Li Tian-yun, et al. Vibro-acoustic Coupling Characteristics of Double Stiffened Plates Coupled with Water[J]. Journal of Ship Mechanics, 2019, 23(1): 78-87.

[6] 劉慧, 彭子龍, 范軍, 等. 船塢登陸艦聲散射時頻特征數值及試驗研究[J]. 聲學技術, 2019, 38(2): 147-152.Liu Hui, Peng Zi-long, Fan Jun, et al. Numerical and Experimental Research on Acoustic Scattering Time-fre- quency Characteristics of Dock Landing Ship[J]. Tech nical Acoustics, 2019, 38(2): 147-152.

[7] 盧笛. 基于有限元原理的彈性目標聲散射計算[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2014.

[8] 錢治文. 淺海波導中彈性結構聲輻射預報方法研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2018.

[9] 張培珍, 李秀坤, 王斌, 等. 掩埋目標聲散射特性及其實驗[J]. 聲學學報, 2018, 43(6): 934-942.Zhang Pei-zhen, Li Xiu-kun, Wang Bin, et al. Acoustic Scattering Experiments and Characteristics of Targets Buried in Sediment[J]. Acta Acustica, 2018, 43(6): 934-942.

[10] 劉學芳. 目標散射聲場模擬及散射體尺寸的計算[D]. 西安: 陜西師范大學, 2017.

[11] 郭文杰. 含液面的多邊界約束下潛浮圓柱殼聲振模型研究及性能分析[D]. 武漢: 華中科技大學, 2018.

[12] 侯欣雨, 陳航. 水下無載波超寬帶信號波形設計與回波特性[J]. 魚雷技術, 2016, 24(5): 340-345.Hou Xin-yu, Chen Hang. Waveform Design and Echo Characteristic of Underwater Carrier-free Ultra-Wide Band Signal[J]. Torpedo Technology, 2016, 24(5): 340- 345.

[13] 石煥文, 盛美萍, 孫進才, 等. 加縱肋平底圓柱殼振動和聲輻射的FEM/BEM研究[J]. 振動與沖擊, 2006, 25(2): 88-92.Shi Huan-wen, Sheng Mei-ping, Sun Jing-cai, et al. On FEM/BEM for the Problems of Vibration and Acoustic Radiation from an Axially Stiffened Cylindrical Shell with Two End Plates[J]. Journal of Vibration and Shock, 2006, 25(2): 88-92.

Research on Acoustic Scattering of Underwater Complicated Target Based on Sound-Solid Coupling

ZHOU Ye1, WEN Wei1, HAN Jian-hui1, YANG Ri-jie1

( Air Combat Service College, Naval Aviation University, Yantai 264001, China)

In view of the low simulation fidelity of the existing simple model for actual underwater target, the scattered acoustic field of the two-dimensional simple model of submarine after excitation is simulated numerically by using the COMSOL sound-solid coupling algorithm and the perfectly matched layer(PML). The result is compared with that of the same model calculated by using the finite element analysis software ANSYS, and both results are basically consistent, verifying the effectiveness of the COMSOL sound-solid coupling algorithm in calculating the scattered acoustic field of large target. Furthermore, the interior cabin structure and its structural material attributes are established for a submarine structure, which improves the fidelity of the model to the actual target, and the sound field of re-radiation after excitation is simulated. The simulation results may be taken as a reference for the numerical analysis of active sonar signals and the development of underwater active detection equipment

submarine; scattered acoustic field; sound-solid coupling; perfectly matched layer(PML)

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1. 于福建, 王斌, 張培珍. 起伏海底掩埋目標聲散射特性數值仿真[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(6).

2. 楊益新, 韓一娜, 趙瑞琴, 等. 海洋聲學目標探測技術研究現狀和發展趨勢[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(5).

3. 馮雪磊, 李曉偉, 李錦, 等. 基于改進板塊元法的標準潛艇收發分置目標強度分析[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(3).

4. 陳原, 郝保安, 萬亞民, 等. 基于板塊元法的Benchmark亮點聚類優化算法[J]. 水下無人系統學報, 2017, 25(6).

5. 陳煒彬, 段浩, 王云. 基于聲固耦合算法的發射模擬試驗承壓結構濕模態分析[J]. 水下無人系統學報, 2017, 25(5).

6. 何心怡, 王磊, 陳菁, 等. 基于高斯聲束模型的快速聲場計算方法[J]. 魚雷技術, 2016, 24(2).

TJ630.34; TB566

A

2096-3920(2020)01-0051-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.008

周燁, 溫瑋, 韓建輝, 等. 基于聲固耦合的水下復雜目標聲散射研究[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(1): 51-56.

2019-06-12;

2019-06-29.

山東省重點研發計劃項目資助(2016CYJS02A01).

周 燁(1995-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為水聲信號檢測、處理與融合技術.

(責任編輯: 許 妍)