水声聚焦相控阵列及其声场特性研究

ｍｅ ｈ ｄ．Ｉ ｓｓ ｏ ｈ ｔｔ ｅ ａ ｒ ｙ ｔ ｈ ｎｉ ｍ ｌ ｍｅ ｔｓｚ ｎ ｈｅ ｌｒ ｅ ｅ ｍ ｎ ｌ ｉｅ ｔ ｅ ｉｔ ｎ ｉｙ ｏ ｏ ｕ ｔｏ ｔｗａ ｈ ｗｎ ｔ ａ ｈ ｒａ ｓｗｉ ｔ ｅ ｍｉ ｍｕ ｅｅ ｎ ｉｅ ａ ｄ ｔ ａｇ ｒｂ ａ ａ ｇｅ ｒｓ ｈ ｎｅ ｓｔ ｆｆｃ ｓ ｈ ｐｒｓ ｕ ｅ，ａ ｄ ｅ ｐａ ｄ ｔ ａｉ ｏ ｕ ｉ ｅ ｉｎ ｕ ｄ ｒｔ ａ ｍｉｓｏ ｒ ａ；ｈ ｗｅ ｅ ，ｔ ｆｅ ｔｏ ｈ ｒａ ｐ ｒｕ ｅｏ ｅ ｓｒ ｎ ｘ ｎ ｈｅｖ ｌ ｆ ｃ ｓｎｇｒ ｇ ｏ ｎ ｅ ｈｅｓ ｍｅ ｅ ｓ ｉｎ ａ ｅ ｄ ｏ ｖ ｒ ｈｅｅ ｆｃ ｆｔ ｅ ａｒ ｙ ａ ｅ ｔ ｒ ｎ ｔ ｅ ｖ ｌ ｏ ｕｓｎ ｅ ｉｎ ｉ ｍａｌ ｒ ｈ ａ ｉ ｆ ｃ ｉ ｇ ｒｇ ｏ ｓ ｓ ｌ ．Ｆｉ ｌｙ，ｔ ｅ ｐｏ ｓｂ ｅ ａ ｌ ａｉ ｎ ｏ ｌｉ ｌ —ｏ ｕ ａｔ ｒ ｓ ｉｖ ｓｉ ａｅ ． ｄ ｅ ｎａｌ ｈ ｓ ｉ ｌ ｐｐ ｉ ｔｏ ｆａ ｍｕ ｔｐ ｅ ｆｃ ｓ ｐ ｔｅ ｎ ｗａ ｎ ｅ ｔｇ ｔ ｄ ｃ Ｋｅ ｒ ｓ： ｕ ｄｅ ａｅ ｏ ｕ ｅ ｃ ｕ ｔ ｙ ｗｏ ｄ ｎ ｒ ｔｒｆ ｃ ｓ ｄ ａ ｏ ｓｉ ｗ ｃ；ｐ ａ ｅ ｒａ ｓ ｏ ｎ ｅ ｄ；ｓ ｐ ｒ ａ ｉ ｏ ｈ ｓ ｄ ａ ｒ ｙ ；ｓ ｕ ｄ ｆ ｌ ｉ ｕ ｅ ｃ ｖｔ ｎ ｉ
强 空化 的声 焦 点 。严 格 来 说 ， 文 涉 及 的声 场 汁算 应 本
利 用非线 性 声 学理 论 来 研 究 ， 限 于水 声 聚 焦 相 控 阵 但
响 了超 空 泡 航 行 体 的 运 动 轨 迹 的 假 想 。在 实 际 应 用
中， 基本 构想 是 舰 艇 在 一 定 距 离 外将 高 强 度 声 波作 用
球 面半径 为 尺 以球 面顶 点 为坐标 原点 ， 立 ｘｚ 标 建 ｙ坐 系 ， ｒ阵元 的中心 和场点 的坐标 分别 为 （ ， ） 第 ｔ Ｙ ， 和
算机 仿 真 发 现 其 在 偏 离 轴 向 的 位 置 的 聚 焦 性 能 较 弱 。为 了实现 大 的动 态 扫 描 范 围 ， 文 以不 具 备 几 本 何会 聚 能力 的 凸球 面 阵列 作 为 研 究 对 象 ， 列 的形 状 阵 与舰 船 的侧 面轮 廓相 类 似 。考 虑 大 型 载体 的一般 吃水
Ｐ ＝ ２
， ｎ
Ｕｎ ｅ
…
・
尺 寸和 一定 的阵 元 表 面 声 强 下 ， 为在 目标 处 产 生 高 压 强 的声 焦点 ， 采 用 尽 量 小 的 阵元 间距 来 增 加 发 射 面 应 积 ， 于提高 声压 增益 （ 点处 声 压 与 阵元 表 面声 压 的 用 焦 比值 ） 。此外 ， 阵列采 用投 影形 状 为矩 形 的阵 元 相对 常 用的圆形 阵元 将具 有 更 大 的发射 面积 ， 列 如 图 １ 阵
列 非线性 声场 的复 杂性 ， 工 作 尚在进 行 巾。在 这 ， 该
收 稿 日期 ：２ １ —０ ２ 修 改稿 收 到 日期 ：０ １—１ ０ １ ２— １ ２１ ０—２ ０ 第 一 作 者 周 泽 民 男 ， 上 生 ，９６年 生 博 １８
本 文利用 线 性声 学 方 法 ， 点研 究 了 阵 列 的 效 聚 焦 重 区域 ， 义为 阵列 能 成 功 对 抗 超 空 泡 鱼 雷 的 焦 点 移 动 定
来提 高声 强 增 益 。水 声 聚 焦 相 控 阵 ， 于应 用 背 景 由 不同， 设计 方 案 和 关 注参 数 将 存 在 一 定 差 别 本 义 的
头部 空化 器 与水 接 触 外 ， 有鳍 舵 舵 面及 部 分 尾 部 与 只 水接 触 ， 且 其 流 体 动 力 受 空 泡 包 络 形 态 的强 烈 约 并 束 。Ｐｔ 提 出利 用强 声波 扰乱 超空 泡 鱼雷 的空 泡 ｅｒ ｅ
Ａｂｓｒ ｃ ｔ ａ ｔ： Ａｉ ｎｇ ａ ｈ ａ ｔｔ ａ ｈ ｙ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｈａ ａ ｔｒｓｉｓ ｏ ｕ ｅ ｃ ｖｔ ｔ ｏ ｐ ｄ ｅ ｔｏ ｇｙ ｄ ｐ ｎ ｎ ｍｉ ｔｔ ｅ ｆｃ ｈ ｔｔ ｅ ｈ ｄ ｏ ｙ ａ ｃ ｃ ｒ ｃ ｅｉｔｃ ｆ ｓ ｐ ｒ ａ ｉ ｉ ｔ ｒ ｅ ｏ ｓ ｓｒ ｎ ｌ ｅ ｅ ｄ ｏ ａ ｎｇ ｔ ｅ ｓ ｅ ｃ ｖｔ ｎ ｅｏ ｓ，ａｈ ｇ ｎ ｅ ｓｔ ｎ ｅ ｗａｅ ｈ ｕｐ ｒ ａ ｉ ｅ ｖ ｌｐｅ ｙ ｉ ｈ ｉ ｔｎ ｉｙ ｕ ｄ ｒ ｔｒ￣ｃ ｓ ｄ ａ ｏ ｓｉ ｈａ ｅ ｒａ ｅ ｏ ｒ ｍｏ ｅｙ ｄ ｓｕ ｔｔ ｉ ｎ ｅ ｏ ｕ ｅ ｃ ｕ ｔｃｐ ｓ ｄ ａ ｒ ｙｕｓ ｄ ｔ ｅ ｔｌ ｉｒ ｐ ｈ ｓｅ ｖ ｌｐｅ ｓ ｒａ ｅ ｗａ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｅ ｅ Ｆｉｓｌ ｔ ｅ ｅ ｉ ｎ ｅ ｕ ｒ ｍｅ ｔ ｏ ａ ｕｎ ｅ ｗａｅ ｆ ｃ ｅ ａ ｏ ｓｉ ｐ ａ ｅ ａ ｒ ｙ ｕ ｆｃ ｓ ｒ ｓ ｎ ｅ ｈ ｒ ． ｒｔ， ｈ ｄ ｓｇ ｒ ｑ ｉｅ ｎ ｓ ｆ ｎ ｄ ｒ ｔｒ ｏ ｕｓ ｄ ｃ ｕ ｔｃ ｈ ｓ ｄ ｒａ ｗｅ ｅ ｒ ｄｉｃ ｓ ｅ ｓ ｕ ｓ ｄ，ａ ｄ ｔ ｅ ｎ ｅｆｃｅ ｔｓ ｕ ｄ ｆ ｌ ａｃ ｌ ｔ ｎ ｆ ｒ ｌ ｏ ｏ ｖ ｘ ｓ ｈ ｒｃ ｌｓ ｃｉ ｎ ｐ ａ ｅ ｒａ ｓ ｄ ｒｖ ｄ． ｎ ｈ ｎ ａ ｆｉｉ ｎ ｏ ｎ ｉ ｄ ｃ ｌｕ ａｉ ｏ ｍｕ ａ ｆｒ ａ ｃ ｎ ｅ ｐ ｅ ｉ ａ— ｅ ｔ ｈ ｓ ｄ ａ ｙ ｗａ ｅ ｉｅ ｅ ｏ ｏ
声 聚焦 相控 阵列来 完 成 。但 到 目前 为 止还 没 有 看 剑 火
于水声 聚焦 相控 阵理论 研 究 的 报道 。医学 应 用 中的卡 Ｈ
有 的反 鱼 雷手段 已不 足 以对 抗 这类 高 速 鱼雷 ， 于是 ， 寻
控 阵高强度 聚焦 超 声 （ ＩＵ） 水 声 聚 焦 相 控 阵 存 住 ＨＦ 与 类似 ， 相控 式 Ｈ Ｆ ＩＵ通 常 要 求 阵列 具 有 焦 点 模 式 灵活 、 栅瓣 级低 等声 场 控 制 特 性 ｌ ， ５ 并一 般 采 用 凹 曲 面 阵列 Ｊ
中 图 分 类 号 ：０ ２ ． ；Ｐ １ ４２２Ｔ３ １ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ａｎ ｕ ｅ ｗａ ｅ ｏ ｕ ｅ ｃ ｕ ｔｃ ｐｈ ｓ ｄ ａ ｒ ｙ ａ ｔ ｏ ｄ ｅ ｄ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓ ｎｄ ｒ ｔ ｒ ｆ ｃ ｓ ｄ ａ ｏ ｓ ｉ ａ ｅ ｒ ａ ｎｄ ｉｓ ｓ ｕｎ ｆ ｌ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｉ
振
动
与
冲
击
第 ３ 卷第 １ １ ９期
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩ ＢＲＡＴ ＯＮ ＡＮＤ ＨＯＣＫ Ｉ Ｓ
水 声 聚 焦相 控 阵 列及 其声 场特 性 研 究
周泽 民 ，曾新吾
（ 国防科技大学 光 电科学与工程学 院， 长沙 ４ ０７ ） １０ ３
摘 要 ：针埘超空泡鱼雷的流体动力受空泡包络形态强烈约束的特点， 研究了一种用于扰乱其空化包络的水卢聚
区域 ， 析 了水 声 聚 焦 相 控 阵 在 同情 况 下 的聚 焦 件 分
通讯作者 曾新吾 男， 教授 ， ｆ生导师 ，９３年牛 博 ： １６
第１ ９期
周泽 民等 ：水声 聚焦相控阵列及其声场特性研究
８ ７
能， 为水 声 聚焦 相控 阵列 提供初 步 的理 论支 持 。
式 中 ： ＝１２， ， ， ｍ ， … ｒ 为第 ｍ个 控 制 点 的位置 ， 和
１ 水 声 聚 焦 相 控 阵 列
聚焦相控阵列是通过 控制发射信号 的延迟 ， 使各
阵元 发 射 的声 波 在 预 定 焦 点 处 同相 叠 加 ， 到 声 束 聚 达
焦 的 目的 。一般 地 ， 曲面 相 控 阵列 具 有 几 何 会 聚能 凹 力 ， 声 强增 益 、 制 栅 瓣 等 方 面 具 有 优 势 。然 而 ， 在 抑 计
ｓ分 别 为第 ｎ个 阵元 表 面 上 的法 向振 速 和 表 面 积 ， ｒ 为控 制 点 ｍ到 第 ｎ阵元 上各 积分 微元 中心 点 的距离 。
对 于阵元 的投影 形状 为 相 同矩 阵 的凸 球 面相 控 阵
列 ， 阵元 宽度 为 Ａ 阵元 高 度为 Ａ ， 设 ｗ， ｈ 阵元 面积 为 △ ，
包络 ， 减缓 鱼 雷 的速 度 和改 变 其方 向 ， 用 实验 初 步 验 并 证 了方法 的 可行 性 ， 出强 声 波在 水 中 的 空 化作 用 影 给
目的是建立 水 声 聚焦 相 控 阵 的基 本模 型 ， 于有 限 尺 基 度 的 凸球 面 相控 阵列 ， 现 住较 大 扫 描 范 产 能 敛 实
焦相控 阵列 。首先讨论 了水声 聚焦相控 阵列 的设计要求 ， 推导 了凸球 面相控阵换能器 的声场传播 公式 ， 后利用基 十伪 然 逆矩阵的声场合成算法对阵列的聚焦性能进行 仿真 ， 结果显示 ， 在相 同的阵列发射 面积下 ， 采用 波束宽度 较大的小 阵兀 ， 可以相对提高声焦点处的压强和扩大有效聚焦区域 ， 阵列孑 径对有效聚焦区域的影响较小 。最后仿真研究 ＿多焦点控 而 Ｌ ｒ 制模 式可能的应用 。 关键词 ：水声 聚焦 ； 相控阵列 ； 场 ； 声 超空泡
Ｆｕ ｔ ｅ ｍ ｏ ｅ，ｔ ｅ ｓ ｕ ｄ ｆｃ ｓｎ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ Hale Waihona Puke Baiduｔ ｂ ｖ ｒａ ｒ ｉ ｌｔ ｄ ａ ｄ ａ ａｙ ｅ ａ ｅ ｎ ｐ ｅ ｄ —ｎ ｅ ｓ ｒｈ ｒ ｒ ｈ ｏ ｎ ｏ ｕ ｉ ｇ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉｓ ｏ ｈｅ ａ ｏ ｅ ａｒ ｙ ｗｅｅ ｓｍｕ ａｅ ｎ ｎ ｌ ｚ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｓ ｕ ｏ ｉ ｖ ｒ ｅ
超 空泡 鱼 雷 可 以在 水 中实 现超 高 速 运 动 ， 对 于 相
于高速 运动 的超 空 泡鱼 雷 ， 以达 到 干 扰 超 空 泡 鱼 雷 的
传统 的鱼 雷 ， 速度 上有 着极 大 的提 高 ， 在 对潜 艇 和水 面 舰艇构 成 了更大 的威 胁 。 目前 ， 国、 国 和俄 罗斯 等 美 德
国在从 事 该 技 术 的研 究 或 已研 制 成 功 找新 的反 制手段 无 疑是必 要 的 。 基于 超空 泡技术 的鱼 雷 ， 为大 幅减 少 摩 擦 阻力 ， 除 。同 时 ， 现
目的。高强 度声 波一 般 是 通 过 声 波 的 聚 焦 来 实 现 ， 而 反 鱼 雷要求 能 够 移 动 聚 焦 焦 点 的位 置 ， 只 有 通 过 水 这
深度 ， 阵列 的纵 向 尺度 应 控 制 在 ６ ｍ 以 内 。在 有 限 的
（ Ｙｚ ， 用 文 献 ［Ｏ］ ， ，） 采 １ 中介 绍 的投 影 法 和 二 次项 展
开， 对式 （ ） 行 推导 ， 以得 到 凸球 面 相 控 阵 列 换 能 ２进 可 器 的声 场传 播公 式 ：
ＺＨＯＵ — ｎ．ＺＥＮＧ Ｘｉ 一 Ｚｅ ｍｉ ｎ Ｍ
（ ｏｅｅｏ ｐ — ｅｔｃＳｉｎｅａｄＥ ｇｎｅ ｎ ， ａｏ ａ Ｕ ｉｅｓｙｏ Ｄ ｆ ｓ ｅｈ ｏ ｇ ， ｈｎ ｓａ４０ ７ ， ｈｎ ） Ｃ ｌｇ ｆ ｔ ｅ ｃ ｃ ｃ ｎ ｎｉｅｒ ｇ Ｎ ｔ ｎｌ ｎｖｒｉ ｆ ｅ ｎｅＴ ｃｎｌ ｙ Ｃ ａ ｇｈ １０ ３ Ｃ ｉ ｌ Ｏ ｏｌ ｒ ｉ ｅ ｉ ｉ ｔ ｅ ｏ ａ