鱼雷共形阵发射声场计算及波束优化研究

论文摘要

声学基阵的发射性能是影响主动鱼雷自导系统探测能力的重要因素。与平面阵相比,三维的共形阵要求在大的扇面内具有良好的接收和发射能力,但由于不规则障板、阵元间互辐射、大偏角、高源级工作等特点,制约了共形阵发射波束的性能。因此,对共形阵的发射声场进行分析和计算,寻找改善其发射性能的方法具有重要的理论意义和应用价值。解析方法难以对不规则结构共形阵的辐射声场做准确的描述和计算,需要采用数值方法来解决其辐射声场的计算及发射性能优化问题。本论文在边界元理论的基础上,借助边界元软件建立了鱼雷共形阵发射声场计算的边界元数值模型,并对其发射波束进行了优化,使共形阵的发射性能得到了改善。具体研究内容包括:(1)给出了计算共形阵发射声场的边界元数值方法。建立了有限障板下52元平面阵、36元球形阵和36元柱形阵的边界元声学数值模型,计算了它们的单元指向性、近场声压分布和远场指向性。计算结果表明,该数值方法可考虑到阵元间的互耦作用和障板对其发射声场的影响,得到较为准确的计算结果。(2)给出了共形阵波束优化的数学模型。提出了基于边界元计算的波束优化方法和基于实测阵列流形的波束优化方法,采用二范数最小和最大值最小约束条件,得到优化的加权系数,有效降低了共形阵发射波束旁瓣级,提高了发射指向性指数。(3)进行了共形阵的水池验证实验。在多个频率不同束控角度对共形阵常规波束和优化波束进行了测量,验证了边界元声学计算模型、波束优化模型和方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 声辐射计算的发展
• 1.3 发射波束优化
• 1.4 本论文主要内容
• 第二章 声辐射问题的边界元方法
• 2.1 声学方程
• 2.1.1 简谐振动下的赫姆霍茨方程
• 2.1.2 格林函数
• 2.1.3 边界条件和辐射条件
• 2.2 赫姆霍茨边界积分方程
• 2.2.1 格林积分公式
• 2.2.2 外辐射问题赫姆霍茨边界积分方程
• 2.2.3 解的非唯一性问题
• 2.2.4 奇异积分问题
• 2.3 边界积分方程的离散
• 2.4 本章小结
• 第三章 共形阵发射声场计算
• 3.1 发射指向性计算的解析方法
• 3.1.1 基阵
• 3.1.2 指向性计算
• 3.2 共形阵声场计算的边界元数值方法
• 3.2.1 计算过程
• 3.2.2 边界元计算软件
• 3.3 计算实例
• 3.3.1 圆形活塞辐射声场的边界元计算
• 3.3.2 52 元平面阵发射声场边界元计算
• 3.3.3 36 元共形阵发射声场边界元计算
• 3.4 试验验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 共形阵发射波束优化设计
• 4.1 阵列流刑
• 4.1.1 接收用阵列流形
• 4.1.2 发射用阵列流形
• 4.1.3 发射用阵列流形的试验获取原理
• 4.1.4 发射用阵列流形的边界元法计算
• 4.2 共形阵发射波束优化
• 4.2.1 二范数最小优化加权
• 4.2.2 最大值最小优化加权
• 4.2.3 最大声压级比较
• 4.2.4 基于实测阵列流形波束优化
• 4.3 试验验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文总结
• 5.1 主要研究工作
• 5.2 主要创新点
• 5.3 有待进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文