声障板对矢量传感器指向性的影响研究

摘要

近年来，由于声矢量传感器可以同时拾取声场的标量和矢量信息，被广泛地应用于水声技术的各个领域。随着矢量传感器性能的提高和信号处理技术的发展，其在拖曳线列阵、浮标、低噪声测量系统的应用日益成熟。但是，在这些应用中，矢量传感器都工作于自由场中，并没有受到邻近边界条件的影响。矢量传感器如果安装在舰艇壳体，水下无人航行体时，不可避免的会受到边界衍射的影响，从而影响矢量传感器的测量效果。
　　 本文分析了不同频率下球形、长旋转椭球形、有限长圆柱障板对矢量传感器指向性的影响，在此基础上研究了障板的尺寸和形状对矢量传感器指向性的影响，给出了优化的障板结构，并提出了矢量传感器指向性重建技术。本文研究内容主要有以下几点：
　　 1.推导了阻抗球和弹性球壳散射声场声压和振速的数学表达式，分析了不同频率、阻抗条件下阻抗球以及不同频率下内充空气弹性球壳散射声场声压和振速的指向性的特点。对阻抗球而言，阻抗对散射声场的影响由散射背景项决定，分析了矢量传感器声压和振速的指向性随阻抗的变化规律以及绝对软球和刚硬球的散射场和入射场的幅值、相位差随频率的变化关系。对内充空气弹性球壳而言，散射声场可视为刚硬球散射声场和球壳作弹性振动时辐射声场的代数和，分析了不同频率下弹性球壳障板下矢量传感器指向性的变化规律以及散射场和入射场的幅值、相位差随频率的变化关系。
　　 2.推导了软长旋转椭球和硬长旋转椭球散射场声压和振速的数学表达式，分析了不同频率下软长旋转椭球和硬长旋转椭球障板下矢量传感器声压和振速指向性的特点以及散射场和入射场的幅度、相位差随频率和入射角的变化规律。
　　 3.利用有限元和边界元法计算了不同频率下软有限长圆柱，硬有限长圆柱，内充空气的弹性有限长圆柱壳的散射声压场和振速场，分析了不同频率下软有限长圆柱，硬有限长圆柱，内充空气的弹性有限长圆柱壳障板下矢量传感器指向性的变化规律以及散射场和入射场的幅度和相位差随频率变化关系。
　　 4.矢量传感器的指向性与障板的尺寸和形状有密切关系。分析了不同频率下，具有相同纵向和横向尺寸的球，长旋转椭球，有限长圆柱障板对矢量传感器指向性的影响，在此基础上，设计合理的障板结构，减小障板散射声场对矢量传感器指向性的影响。
　　 5.矢量传感器在障板上的安装位置对其指向性有很大影响。选择合理的矢量传感器安装位置，可减小散射场对矢量传感器指向性的影响。
　　 6.根据仿真进行实验验证。在千岛湖进行了障板对矢量传感器指向性影响的相关实验，分析比较仿真与实验结果。
　　 7.提出了障板条件下矢量传感器指向性重建技术。合理的障板形状和尺寸以及合理的矢量传感器安装位置只能减小散射声场对矢量传感器指向性的影响，而很难从根本上消除散射声场带来的影响。提出采用声场分离的方法将散射波和入射波分离，重建矢量传感器的指向性。