水下目标低频散射特性研究

　　引言

　　水下目标的声散射特性研究具有重要的理论价值和广泛的应用实际背景。国内外围绕这个问题在声散射理论、声散射计算方法、实验验模等方面进行了广泛而细致的研究。通过研究，提出了一系列声散射严格理论、近似解法，不仅对水下目标声散射特性有了深入了解，还从工程应用角度建立了若干散射特性的预报模型。目标声散射场的计算，理论上是解一个数学物理问题，在数学上被归纳为在特定的边界条件下求解波动方程问题。目前，声散射问题的严格理论解法主要有积分方程法和变量分离法等。严格理论解可以深入研究目标的声散射机理，但缺点是只能对一些规则形状的目标进行计算。实际工程中目标一般较为复杂，很难直接应用严格的理论来求解散射声场。目前，世界各国和国内发展了许多近似解法和数值解法。近似解法方面，常用的包括物理声学方法、统计能量分析法、有限元/边界元法、板块元方法、T 矩阵方法等;预报模型方面，国外主要有瑞典研制的SUBTAS(潜艇目标强度预测)软件、加拿大开发的 BASIS、ASBIEM 模型等，国内主要有760所提出的“水下目标散射声场模型”、上海交大开发的板块元数值计算模型等。但上述模型主要采用Kirchhoff近似，仅限于计算目标的高频段散射特性。随着潜艇消声瓦的大量应用，远程探测水下复杂目标变得越来越困难。为有效地避开潜艇消声瓦的吸波作用，提高主动探测距离，新一代主动声纳重点向大功率、低频段方向发展，因此，对于水下复杂目标的中低频段散射特性的研究近年来越来越受到重视。

　　预报模型方面，见诸文献的主要有加拿大大西洋防务研究所(DREA)开发的AVAST软件及美国海军实验室开发的SONAX软件等。而国内，应用边界元理论开展水下目标散射特性研究，特别是通过成熟的商用边界元分析软件，如SYSNOISE软件，计算水下复杂目标的低频声散射问题已成为研究工作的热点，有大量水下目标低频回波特性研究方面的报导。如文献8采用ANSYS和SYSNOISE联合的方法，数值计算研究了壳体结构模型的声辐射，分析了轻外壳对壳体振动声辐射的影响;文献9则应用边界元法在分析无限域声辐射问题方面的优势，对潜艇辐射噪声预报开展了较深入的研究。此外，文献10也将声散射的研究拓展到了医学及生物学领域。

　　1基本理论及计算流程

　　边界单元法(Boundary Element Method)把所研究的问题的微分方程变成边界积分方程，然后将区域的边界划分为有限个单元，也就是把边界积分方程离散化，使处理问题的维数降低一维，得到只含有边界上的节点未知量的方程组，结合边界条件，然后进行数值求解。边界元法在域内采用解析表达式，是半解析半数值方法，只在求解域的边界上进行离散，使数值计算的维数降低一维，对无限域中的声散射、声辐射问题计算非常有效。