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二十面球型组合体声散射特性分析

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. 二十面球型组合体声散射特性分析[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0078
引用本文: 董艳华, 周富霖, 范军, 等. 二十面球型组合体声散射特性分析[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx 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 Sphere Composite[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. 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 Sphere Composite[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0078

二十面球型组合体声散射特性分析

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 Sphere Composite

  • 摘要: 针对传统水下声学标准体布放实操困难及声学适配性不足的问题, 文中提出一种水下轻量化二十面浮体-杆组合结构仿球形散射体, 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可布放性。建立了声散射特性的分频段数值模型, 数值分析了声散射强度随声波频率、入射方位的变化规律, 揭示了路径差干涉现象形成机制。试验验证了所提建模方法及研究结论的准确性, 为声散射标准体的设计与优化提供了重要的理论支撑和试验依据。结果表明, 该仿球形散射体平均目标强度较同半径刚性球提高约3.87 dB, 同时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、声散射特性分析与测试提供参考。

     

  • 图  1  球形声散射标准体

    Figure  1.  Spherical sound scattering standard

    图  2  仿球形散射体数值计算模型

    Figure  2.  A numerical model for simulating spherical scatterers

    图  3  定义物理场及求解域

    Figure  3.  Defining physical fields and solution domains

    图  4  目标强度数值解对比

    Figure  4.  Comparison of numerical solutions of 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

    Figure  6.  Target strength directivity of composite structures and substructures

    图  7  组合结构与子结构目标强度对比

    Figure  7.  Comparison of target strength between composite structure and substructure

    图  8  迭代物理声学高频目标强度

    Figure  8.  High-frequency scattering results by iterative physical acoustics

    图  9  入射波方向投影距离差

    Figure  9.  Projection distance difference of incident wave direction

    图  10  组合结构与子结构目标强度对比

    Figure  10.  Comparison of target strength between composite structure and substructure

    图  11  实物模型图

    Figure  11.  Experimental 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 at 20~25 kHz

    图  14  xoz平面内试验与仿真目标强度结果对比

    Figure  14.  Comparison of target strength results between xoz in-plane test and simulation

    图  15  迭代物理声学与试验结果对比

    Figure  15.  Comparison between iterative physical acoustics and experimental results

    表  1  仿球形散射体结构参数

    Table  1.   Structural parameters of sphere like scatterers

    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  结构声学参数

    Table  2.   Structural acoustic parameters

    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
  • [1] Demer D A, Berger L, Bernasconi M, et al. Calibration of acoustic instruments[R]. ICES Cooperative Research Reports, 2015: 326.
    [2] Foote K G. Optimizing copper spheres for precision calibration of hydroacoustic equipment[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1982, 71(3): 742-747. doi: 10.1121/1.387497
    [3] 汤渭霖, 范军, 马忠成. 水中目标声散射[M]. 科学出版社, 2018.
    [4] 邓文祥, 杨同盛, 杨吉波. 充液聚焦球形反射体的实验研究[J]. 声学学报, 1982: 88-93.

    Deng W X, Yang T S, Yang J B. Experimental investigation of focused liquid-filled spherical reflectors[J]. Acta Acustica, 1982: 88-93.
    [5] Foote K G, Chu D, Hammar T R, et al. Protocols for calibrating multibeam sonar[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2005, 117(4): 2013-2027. doi: 10.1121/1.1869073
    [6] 杨同盛. 对充液聚焦球内液体声参数研究[J]. 声学学报, 1988: 291-294.

    YANG T S. An investigation of acoustical parameters of liquid infocused liquid-filled sphere[J]. Acta Acustica, 1988: 291-294.
    [7] 刘子豪, 周富霖, 李梅, 等. 水下球面嵌入角反射体结构声目标强度增强设计研究[J]. 中国舰船研究, 2025, 20: 273-283 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.04049

    Liu Z H, Zhou F L, Li M, et al. Study on acoustic target strength enhancement design of underwater spherical embeded corner reflector structure[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2025, 20: 273-283. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.04049
    [8] 王杰亚, 罗祎. 水下单层薄金属板多格角反射体声散射特性研究[J]. 舰船电子工程, 2024, 44: 173-176.

    Wang J Y, Wang W. Acoustic scattering characteristics of underwater multicell single-layer thin metal plate corner reflectors[J]. Ship Electronic Engineering, 2024, 44: 173-176.
    [9] Xiao D, Zhang J, Chu Z, et al. Research on the acoustic scattering characteristics of underwater corner reflector linear arrays[J]. 2025, 25(7): 2129.
    [10] 陈文剑, 朱建军, 孙义诚, 等. 水下双层十字交叉组合二面角反射体[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2023, 44: 1382-1390.

    Chen W J, Zhu J J, Sun Y C, et al. Underwater double cross combined dihedral corner reflector[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2023, 44: 1382-1390.
    [11] Deveau D M, Lyons A P. Fluid-filled passive sonar calibration spheres: Design, modeling, and measurement[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2009, 34(1): 93-100. doi: 10.1109/JOE.2008.2010755
    [12] 何祚镛, 赵玉芳同. 声学理论基础[M]. 声学理论基础, 1981.
    [13] 汤渭霖. 用物理声学方法计算非硬表面的声散射[J]. 声学学报, 1993: 45-53.

    Tang W L. Calculation of acoustic scattering of a nonrigid surface using physical acoustic method[J]. Acta Acustica, 1993: 45-53.
    [14] 范军, 汤渭霖, 卓琳凯. 声呐目标回声特性预报的板块元方法[J]. 船舶力学, 2012, 16: 171-180. doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2012.01.020

    Fan J, Tang W L, Zhuo L K. Planar elements method for forecasting the echo characteristics from sonar targets[J]. Journal of Ship Mechanics, 2012, 16: 171-180. doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2012.01.020
    [15] Zampolli M, Tesei A, Jensen F B, et al. A computationally efficient finite element model with perfectly matched layers applied to scattering from axially symmetric objects[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2007, 122(3): 1472-1485. doi: 10.1121/1.2764471
    [16] 李静, 马晓川, 李璇. 敷设空腔覆盖层水下复杂目标的声散射特性研究[J]. 声学技术, 2023, 42: 409-418.

    Li J, Ma X C, Li X. Acoustic scattering characteristics of underwater complex targets covered with cavity structural anechoic coating layer[J]. Technical Acoustics, 2023, 42: 409-418.
    [17] Chernokozhin E, Boag A. Numerical models for problems of acoustic scattering by thin elastic shells immersed in fluids[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2025, 158(3): 1934-1946. doi: 10.1121/10.0039246
    [18] Norrie D H, De Vries G. The finite element method: Fundamentals and applications[M]. Academic Press, 2014.
    [19] 王文欢, 王斌, 范军, 等. 基于迭代物理声学的导管中高频声散射特性研究[J]. 声学学报, 2025, 50: 445-455. doi: 10.12395/0371-0025.2023302

    Wang W H, Wang B, Fan J, et al. Study of medium-frequency and high-frequency acoustic scattering characteristics of duct based on an iterative physical acoustics method[J]. Acta Acustica, 2025, 50: 445-455. doi: 10.12395/0371-0025.2023302
    [20] 范军, 李建鲁, 刘涛, 等. 水下复杂形状目标回声的过渡特性[J]. 上海交通大学学报, 2002: 161-164.

    Fan J, Li J L, Liu T, et al. Transition characteristics of echoes from complex shape targets in water[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2002: 161-164.
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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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