带障板水听器基阵阵列流形的边界元计算及验证

    1 引 言

    水听器基阵的阵列流形是一个十分重要的参量, 是基阵波束形成以及后续信号处理的基础, 它是基阵对不同方向的信号响应向量所组成的簇[1]。对于理想的基阵, 如线列阵和声透明圆弧阵等, 往往都假设阵元为点接收元且各向同性[2-4], 此时阵列流形可以方便地求出[5]。但是对于一般形状的水听器基阵, 特别是当基阵安装在复杂形状的障板上时, 比如共形阵,此时基阵阵列流形的求解变得十分困难。首先, 于障板对入射声波的遮挡、散射以及衍射影响往往很强, 阵元具有很强的指向性。虽然可以引入修正的指向性函数, 如假设为心形指向性[6], 但是与实际阵元指向性还是有较大差距。其次, 对于基阵整体而言, 由于各阵元的声边界条件不同, 造成基阵阵元的灵敏度分布和指向性各异, 无法用乘积定理求解阵列流形。所以, 对于较复杂形状基阵的阵列流形的获得,实际工程中有时采用实测的方法, 测量时耗时费力;有些情况下还没有现行可解决的办法, 只能采用粗略的理论近似。这些都不利于基阵设计以及性能预报。

    声场计算的边界元方法是计算任意辐射体或散射体声场分布的有效方法, 但是该方法目前只在机械工程中的声振动[7-10]和声全息计算得到了充分运用, 在水声领域已有一些研究进展[13], 但实际应用仍然十分有限。本文基于声场计算的边界元数值方法, 建立了计算复杂结构水听器基阵阵列流形的理论数学模型, 求解入射平面声波在任意形状散射体( 基阵障板) 表面声场分布, 得到阵元位置处的声场响应, 进而获得基阵的阵列流形。使用基于边界元法得到的阵列流形, 在期望波束约束下, 运用波束设计理论获得了阵元权值, 维持阵元权值不变, 利用实测阵列流形得到基阵的实测波束。论文中通过水池实验, 针对安装在半球形硬质铝球壳上的圆弧阵,验证了运用边界元法计算复杂形状基阵阵列流形的可行性, 在不同指向角度上得到的基阵实测波束与理论设计的波束基本吻合。其性能优于点接收器经相位补偿后相加得到的波束。从而证明了本文的建模和计算方法的正确性。

    2 基本理论

    水听器基阵的阵列流形表示基阵对不同方向入射的单位平面声波的接收响应向量, 即信号响应向量所组成的簇。目前在水声研究中获得基阵、特别是复杂结构基阵的阵列流形还没有一种实际可行的理论计算模型。本文采用声场计算的边界元数值方法, 计算入射声波在基阵表面声场分布, 求出阵元位置处的声场响应, 进而获得基阵的阵列流形。这样得到的阵列流形包含了实际基阵障板对入射声场影响的所有信息, 更加贴近实际应用。