圆柱阵声透明性的研究分析

　　空间透明声基阵在低频声呐的设计中被广泛应用[1-2]. 空间基阵的声透明性越好，阵元间接收声压信号的相位和幅度一致性就越容易得以保障，高空间增益的信号处理就越容易实现[3-4]. 然而，声基阵声学上的绝对透明在工程上是不可能做到的. 阵上阵元之间、阵元与基阵结构件之间总会存在声散射、声遮挡等现象，这将在一定程度上影响基阵的声透明性、导致阵上阵元接收声压的幅度和相位与单阵元在自由场性能测试时的接收声压的幅度、相位发生明显的改变，即通常所说的声场畸变. 在空间透明声基阵的工程设计过程中，人们常常会借助声基阵结构的通透性来衡量和保证基阵的声透明性，当基阵阵元分布稀疏、通透，并且工作波长远大于阵元尺度时，就认为基阵必然具有良好的声透明性; 并且一般认为空间结构相同的声基阵，随着工作频段的不断降低，其声透明性会逐渐明显变好，即频率越低，阵上阵元的接收性能将会更趋于一致. 这些观点是否正确?本文以空间透明圆柱阵为例进行研究分析.

　　1 圆柱阵的结构模型

　　阵元与阵元之间、阵元与基阵架等结构件之间的相互散射，是引起阵上阵元接收灵敏度的相位和幅度畸变的主要因素. 通常在透明基阵结构设计时，为了保证基阵有较好的声透明性，基阵结构的设计会尽可能简单，使结构件对声透明性的影响相对较小，本文所研究的圆柱阵的基阵架和结构件在设计时已经充分优化和缩减，因此本文在透明圆柱阵的仿真建模和声透明性研究分析的过程中忽略基阵架的存在，只研究圆柱阵阵元与阵元之间的相互散射影响. 本文研究的对象是如图1所示的24阵元空间透明圆柱阵，基阵直径3m、基阵高度约2m; 阵元采用细长圆柱形水听器，每个阵元直径40mm、净高度1.8m.24阵元的几何中心均在同一平面内、以3m为直径沿圆周方向均匀等间隔分布，各阵元与基阵中心轴保持严格平行. 为尽可能减小基阵架对声波的散射干扰，基阵架用薄壁钛合金管材构建而成，每根管子的管壁和端头都开孔透水.

　　用于透明圆柱阵的每个阵元，装阵之前皆用自由场脉冲法[5-6]进行接收电压灵敏度和水平指向性的测试与选配，阵元水平无指向性、阵元间灵敏度一致性也非常好，工作频带内特定频率点灵敏度一致性优于0.5dB.

　　2 圆柱阵阵上阵元接收特性分析

　　仿真分析过程主要分2个步骤:

　　1) 建立单路阵元在平面波辐射场中的散射模型，分析阵元在不同方向上的声散射特性;

　　2) 分析透明圆柱阵各路阵元各自的散射波共同作用于某一阵元的效果，研究考虑阵元间一次互散射条件下单一阵元的接收特性，从理论上分析透明圆柱阵的声透明性受阵元间互散射作用的影响是否明显.