流體中彈性球殼聲散射研究.pdf

1、水下目標(biāo)的探測和辨識需要對于目標(biāo)散射的物理機(jī)制有更深入的了解。水下目標(biāo)如水雷和潛艇由彈性體構(gòu)成，彈性體會(huì)激發(fā)出彈性波成分，與剛性體散射有很大的區(qū)別。 形態(tài)函數(shù)是目標(biāo)的固有屬性，對于目標(biāo)的探測和辨識有重要意義。目前國內(nèi)彈性球殼關(guān)于形態(tài)函數(shù)的研究主要集中在已知目標(biāo)各種參數(shù)包括尺寸和聲參數(shù)的情況下求解形態(tài)函數(shù)。我們在實(shí)驗(yàn)室或者海洋中水聽器接收的為散射信號時(shí)間序列，時(shí)間序列能不能用來計(jì)算目標(biāo)的形態(tài)函數(shù)?本文驗(yàn)證了從散射信號時(shí)間序列中提取

2、形態(tài)函數(shù)的可行性。 為了要提取形態(tài)函數(shù)，首先要分清散射信號時(shí)間序列的各種成分。彈性球殼的解析理論主要有共振散射理論和Sommerfeld-Waston變換，本文中共振散射理論對彈性厚球殼進(jìn)行解析計(jì)算，同時(shí)MIT開發(fā)的Scatt&OASES3D數(shù)值模型計(jì)算彈性厚球殼的散射信號時(shí)間序列。彈性球殼散射信號中包含著鏡反射波和各種彈性成分，它們因?yàn)閭鞑ヂ窂降牟煌斐闪藭r(shí)間上的間隔，解析理論計(jì)算的結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的時(shí)間間隔進(jìn)行比較，兩者

3、吻合得很好，散射信號的結(jié)構(gòu)成分就可以分清。 共振散射分為背景項(xiàng)和共振項(xiàng)，背景項(xiàng)和共振項(xiàng)分別對應(yīng)鏡反射成分和彈性成分，鏡反射成分和彈性成分在時(shí)間上的間隔，鏡反射成分經(jīng)過校準(zhǔn)可以作為入射聲場，形態(tài)函數(shù)就可以計(jì)算得到。這種方法應(yīng)用在文中數(shù)值模擬得到的散射信號時(shí)間序列上，計(jì)算得到了形態(tài)函數(shù)，同時(shí)也能得到形態(tài)函數(shù)的共振項(xiàng)。形態(tài)函數(shù)與共振散射理論解析計(jì)算得到的形態(tài)函數(shù)進(jìn)行比較，兩者吻合得比較好，在共振頻率處前者得到的形態(tài)函數(shù)要高于由后者得到

4、的形態(tài)函數(shù)，這是因?yàn)樵诠舱耦l率處能量耦合進(jìn)入彈性球殼較多。因?yàn)槁暡ㄔ诓▽?dǎo)傳播過程中會(huì)有畸變，這樣入射聲場就難以確定，本文中所述的在入射聲場未知的情況下從散射信號時(shí)間序列中提取形態(tài)函數(shù)的方法就表現(xiàn)出了優(yōu)越性。 群速度的估算是一個(gè)相對獨(dú)立的問題，用Wigner-ville分布對彈性厚球殼的散射信號時(shí)間序列進(jìn)行時(shí)頻分析，同時(shí)暴露出頻散現(xiàn)象和時(shí)間延遲現(xiàn)象。Wigner-ville分布的一階矩等于群延遲，用已知的傳播路徑和兩個(gè)波包的群延遲

5、之差，就可以求解表面環(huán)繞波在彈性球殼內(nèi)傳播的群速度，求解得到的群速度與共振散射理論計(jì)算得到的群速度吻合。群速度與目標(biāo)材料有著很大的關(guān)系，這就為辨識目標(biāo)有很大的幫助。 薄球殼的散射與厚球殼的散射有很大不同，有明顯的中頻率加強(qiáng)現(xiàn)象。通過對中頻率加強(qiáng)現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)，得出了外半徑a和厚度h是以加強(qiáng)最強(qiáng)的角頻率ωp和回波延遲Δt為變量的關(guān)系式。數(shù)值模型模擬得到時(shí)間序列之后，可以讀取回波延遲，通過前面所講的從時(shí)間序列中提取形態(tài)函數(shù)的辦法得到加強(qiáng)