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二十面组合仿球形散射体声散射特性分析

董艳华 周富霖 范军 王斌 王文欢 熊健冰

董艳华, 周富霖, 范军, 等. 二十面组合仿球形散射体声散射特性分析[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(3): 480-488 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0078
引用本文: 董艳华, 周富霖, 范军, 等. 二十面组合仿球形散射体声散射特性分析[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(3): 480-488 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0078
DONG Yanhua, ZHOU Fulin, FAN Jun, WANG Bin, WANG Wenhuan, XIONG Jianbing. Analysis on Acoustic Scattering Characteristics of Icosahedral Composite Quasi-Spherical Scatterer[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2026, 34(3): 480-488. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0078
Citation: DONG Yanhua, ZHOU Fulin, FAN Jun, WANG Bin, WANG Wenhuan, XIONG Jianbing. Analysis on Acoustic Scattering Characteristics of Icosahedral Composite Quasi-Spherical Scatterer[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2026, 34(3): 480-488. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0078

二十面组合仿球形散射体声散射特性分析

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0078
基金项目: 国家自然科学基金(U2241277); 上海市协同创新科技计划项目(24xtcx00600).
详细信息
    作者简介:

    董艳华(1995-), 女, 在读硕士, 主要研究方向为水中目标声散射

    通讯作者:

    周富霖(1991-), 男, 副教授, 主要研究方向为水中目标声散射.

  • 中图分类号: TJ630; U666.3

Analysis on Acoustic Scattering Characteristics of Icosahedral Composite Quasi-Spherical Scatterer

  • 摘要: 针对传统水下声学标准体布放难度大、声学适配性不足的问题, 文中设计了一种水下轻量化二十面浮体-杆组合结构仿球形散射体。该结构通过弧形浮力单元与杆-球骨架构建近似球形散射界面, 采用透水式设计实现浮力自平衡, 在保持球形散射特性的同时提升工程布放实用性。同时建立了声散射特性的分频段数值模型, 开展声散射计算: 低频段采用声固耦合有限元法(FEM)、中高频段采用迭代物理声学(IPA)方法, 分析了声散射强度随声波频率和入射方位的变化规律, 揭示了路径差干涉现象形成机制。通过试验验证了所提建模方法及研究结论的准确性,试验结果表明, 该仿球形散射体平均目标强度较同尺寸刚性球提高约3.87 dB, 并表现出多散射体相干干涉特征, 可作为水下声学标校载体, 为水下无人系统试验标定与目标声散射特性测试提供参考。

     

  • 图  1  球形声散射标准体

    Figure  1.  Spherical acoustic scattering standard targets

    图  2  仿球形散射体数值计算模型

    Figure  2.  Numerical calculation models of quasi-spherical scatterer

    图  3  计算域与物理场设置

    Figure  3.  Schematic of computational domain and physical field configuration

    图  4  目标强度数值计算结果对比

    Figure  4.  Comparison of numerically calculated target strength

    图  5  不同频率下组合结构目标强度指向性

    Figure  5.  Target strength directivity of composite structures at different frequencies

    图  6  组合结构与子结构目标强度指向性对比

    Figure  6.  Target strength directivity comparison between composite structure and substructures

    图  7  低频下组合结构与子结构目标强度对比曲线

    Figure  7.  Comparison curves of target strength between composite structure and substructures under low frequency

    图  8  IPA计算得到的高频目标强度曲线

    Figure  8.  High-frequency target strength calculated via IPA method

    图  9  节点沿入射波方向投影距离差

    Figure  9.  Projection distance difference of strucyural nodes along incident wave direction

    图  10  中高频下组合结构与子结构目标强度对比曲线

    Figure  10.  Comparison curves of target strength between composite structure and substructures under mid-high frequency

    图  11  实物模型图

    Figure  11.  Physical model

    图  12  试验测量设备布放图

    Figure  12.  Layout of test and measurement equipment

    图  13  20~25 kHz匹配滤波试验结果

    Figure  13.  Matched filtering experimental results within 20~25 kHz

    图  14  低频试验与FEM仿真目标强度对比

    Figure  14.  Low-frequency targat strength comparison between experiment and FEM simulation

    图  15  中高频试验与IPA仿真目标强度对比

    Figure  15.  Mid-high frequency target strength comparison between experiment and IPA simulation

    表  1  仿球形散射体结构参数

    Table  1.   Structural parameters of quasi-spherical scatterer

    结构参数数值/m
    正二十面体棱长1.000
    顶点球半径0.090
    连接杆半径0.018
    连接杆净长0.824
    下载: 导出CSV

    表  2  材料声学参数

    Table  2.   Acoustic parameters of adopted materials

    材料 密度/(kg·m−3) 杨氏模量/GPa 泊松比
    1 000
    顶点球体 7 850 200 0.30
    连接杆架 7 850 200 0.30
    浮体块 400 1 0.28
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-04-21
  • 修回日期:  2026-05-11
  • 录用日期:  2026-05-18
  • 网络出版日期:  2026-05-28
图(15) / 表(2)

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