基于声固耦合的水下复杂目标声散射研究

针对现有简单模型对水下实际目标的仿真逼真度较差的情况, 利用COMSOL声固耦合算法以及完全匹配层对二维潜艇简单模型受激励后的散射声场进行了数值仿真分析。利用ANSYS有限元分析软件对相同简化模型进行计算对比, 计算结果基本吻合, 验证了COMSOL在计算大型目标散射声场时的有效性。最后以某型潜艇结构为原型构建了内部舱室结构及结构材料属性, 提高了模型相对于实际目标的逼真度, 仿真了受激励后的再辐射声场。其结果可对水下主动探测装备发展提供参考。

1.1  声场有限元结构

1.2  声固耦合

2.1  简单潜艇目标模型

为了在无限水域中建立有限元模型, 需要阻绝模型边界反射对于目标声场的影响。这里引入Berenger提出的完全匹配层(perfectly matched layer, PML), 其主要是在目标周围构造起一个封闭空间, 散射声波到达PML时, 会迅速衰减吸收, 构造出一个无反射边界, 从而不会影响空间内的散射声场^[10-11]。为精确计算结果, 整个模型采用自由三角形网络进行剖分, 如图1所示。建立潜艇模型长度为50 m, 直径8 m, 指挥台高度2 m, 长5 m, 外围包裹厚度为2 m的PML。模型材料设定弹性模量为203 GPa, 泊松比为0.29, 密度为7 880 kg/m³, 流体声速设定为1 500 m/s, 密度为1 000 kg/m³, 设定平面波沿x轴正半轴入射。在进行网络剖分时, 为了达到较为精确的结果, 空间步距应该小于辐射波长的1/6。

2.2  有效性验证

利用COMSOL可进行简单形状的水下目标数值分析, 已经有人通过对比解析解以及实验验证了其有效性^[12-13], 但是对于大型复杂形状的水下目标数值仿真是否仍然保持准确并没有相关介绍。由于ANSYS在计算水下复杂目标声散射方面已被业界广泛接受, 为了验证COMSOL在计算大型潜艇目标时的有效性, 使用ANSYS分析软件建立相同模型进行仿真计算, 并将结果进行对比。图2显示了在距离潜艇艇艏10 m和200 m处的散射声压级仿真结果。

图2  距离潜艇艇艏10 m和200 m处的散射声压级仿真结果

由图2可以看出, 2种计算方法在大型目标模型计算上有很好的一致性, 反映了COMSOL在分析大型潜艇模型声散射方面具有可行性。同时, 由于自身具有强大的后处理功能, 针对三维目标其可以直接生成三维辐射方向图, 如图3所示。

图3  500 Hz平面波激励下的辐射方向图

通过对比仿真相同多物理场耦合模型时ANSYS软件和COMSOL软件的计算时间可发现, 随着仿真模型单元格数量的增加, COMSOL表现出在计算多物理场耦合高效性, 如图4所示。

图4  计算效率对比

2.3  复杂水下潜艇结构仿真

为了更加真实地模拟潜艇散射声场特征, 需要考虑其内部舱室构造所带来的影响。文献[5]运用二维模型处理水下结构的仿真问题, 设计了针对轴对称目标的二维有限元数值计算方法, 证实了利用COMSOL所建立二维目标散射模型同样可以反映真实的水下声场环境, 同时节省了大量的计算时间, 使得建立复杂精细的舱室结构模型仿真得以实现。如图5所示, 在COMSOL中依据某型双壳潜艇构造建立二维仿真模型, 在内壳与外壳处建立肋状结构模拟支撑板。

图5  潜艇舱室结构建模及内部支撑结构

如图6所示, 设定潜艇目标在水下150 m处类比三维模型, 在水体四周设立完美匹配层来模拟无限场。建立潜艇模型长度50 m, 指挥台高度2 m, 长5 m, 外围包裹厚度为1 m的PLM层。潜艇外壳设定为钢铁材质, 模型材料设定弹性模量为203 GPa, 泊松比为0.29, 密度为7 880 kg/m³, 声速为5 880 m/s。内壳设定为钛合金材质, 设定弹性模量为117 GPa, 密度为4 500 kg/m³, 泊松比为0.35, 声速为6 100 m/s。设置典型声速剖面, 如图7所示, 横坐标为深度, 纵坐标为水中声速, 与简单模型背景声场相同, 采用一系列特定频率平面波以0°入射, 计算模型受激励后的响应。

图6  水体环境建模

图7  声速剖面

通过仿真计算, 得出距离舰桥上方50 m处的单壳体模型与舱室结构模型的散射声压级曲线, 分别如图8和图9所示。

图8  单壳体模型散射声压级曲线

图9  结构模型散射声压级曲线

由图8和图9可以发现, 2种模型在数值上大致接近, 但是精细化的舱室结构散射曲线明显比单壳体模型要平滑很多, 这说明横梁以及支撑板组成的结构对于潜艇表面振动产生了明显的抑制作用。由于计算结果代表了模型在一组特定频率下的散射声压级, 结果表明两者均在低频处产生了比较高的峰值, 且考虑舱室结构后其对于低频信号激励后的响应更加剧烈, 结构之间的相互影响加大。下面考虑声波在不同垂直方向角度的入射情况, 仿真在0°和45°入射平面波时, 其距离艇艏前10 m处的散射声压级曲线如图10和图11所示。由图可知, 仿真后的不同垂直方向角的改变对于模型声散射的影响在于低频响应的微弱改变, 对于散射声压级曲线的大体趋势影响不大。

图10  45°入射散射曲线

图11  0°入射散射曲线

接下来考虑正横方向入射时目标的散射声场情况, 建立潜艇纵切面模型, 如图12所示。

图12  潜艇横切面模型

所建立模型直径8 m, 外壳以及支撑杆为不锈钢耐压壳, 厚度为1 m, 内壳为钛合金材料, 材料属性同上文。对比水平方向角0°与90°的声散射仿真结果如图13所示。

图13  水平方向角0°与90°的声散射仿真结果

由图13可以发现, 在以90°水平角入射时, 也就是在正横方向, 对更多低频的信号响应明显, 且散射声强加大, 结构之间相互影响力增加。

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