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原文传递舰船气泡尾流的相干声场特性及其多波束声呐探测研究

论文题名：	舰船气泡尾流的相干声场特性及其多波束声呐探测研究
关键词：	多波束声呐;舰船气泡尾流;相干声场特性;探测方法
摘要：	舰船气泡尾流的声学研究关系到舰船消隐、尾流自导鱼雷、港口河道岸基冲刷、施工安全等诸多实际应用领域的迫切需求。舰船气泡尾流是由存在于海面下方的大量气泡构成的，而粗糙起伏的海面作为声的强混响源，往往会对舰船气泡尾流的声学特性研究及声学探测方法产生严重干扰。针对这一问题，本文开展舰船气泡尾流的相干声场特性及其多波束声呐探测研究，旨在探索集群气泡的振动方式及其声学特性，并考虑海面混响对其声学特性、声学探测的干扰。在此基础上，建立海面混响背景下的舰船气泡尾流声呐回波模型，并基于舰船气泡尾流的声学特性展开其多波束声呐探测的数值与试验研究，主要研究内容如下: 　　首先，开展气泡群的耦合受迫振动理论分析与数值研究，阐明气泡尾流声散射的机理。当气泡群耦合振动时，其内部任意气泡的运动方式都会都受到其余气泡的影响而发生较为明显的改变。为描述这一现象，从波动方程和瞬态Bernoulli方程出发，推导了用于描述多气泡耦合振动的微分方程。相比于传统的研究方法，理论上，推导出的气泡间相互作用项可以精确到一阶马赫数，且考虑了多气泡耦合振动的时滞效应;数值上，引入了时滞微分方程求解方法，解决了传统的常微分方程求解无法考虑时滞效应的问题。最后，考虑到水下声呐探测时气泡往往随激励声场作近似线性振动，基于推导的耦合时滞微分方程对问题进一步简化，给出了孤立及多气泡耦合情况下，气泡振动及其声辐射的线性分析，推导了气泡间多体多次声散射的一般理论形式，阐明了耦合时滞微分方程与多重声散射理论的一致性。　　第二，基于气泡间多重声散射理论，开展集群振动气泡的声场特性分析。对含气泡媒质内的声传播，基于相干声压场展开研究，推导了含气泡媒质的等效媒质理论，提出了可以考虑气泡空间分布的一、二阶统计矩的等效波数的表达式;就气泡群的声散射，基于平均声强场展开研究，分析了气泡间多重声散射与其互易路径的关系，表明气泡群的多重声散射占据主导地位时，散射声场的强度会在正反向散射方向上更为集中，形成相干反向散射增强。进一步给出了气泡群声散射的数值求解方法——自治方法，建立了气泡空间分布与数值求解方法的关系，对理论研究与数值结果展开了对比分析。最后，在无量纲仿真环境中，就理想远场条件和近平海面条件，对相干反向散射增强现象展开了参数研究。　　第三，构建了粗糙起伏海面下气泡尾流的时域声呐回波模型。首先对仿真环境的几何模型进行构造:基于Pierson-Moskowitz海面波浪谱给出了3D空间内的粗糙起伏海面;通过与试验数据对比分析，简化了现有气泡尾流的气泡谱密度的经验模型，并依此给出了依附于粗糙起伏海面下方的气泡尾流中气泡的空间分布。进一步对构造好的几何模型的声回波进行数值计算:通过Helmholtz-Kirchhoff积分方法描述了一般粗糙起伏海面的声回波，该方法能就确定海面给出半空间内任一点的时域波形，并在大掠射角条件下表现出良好的预测能力;给出了自洽方法的Helmholtz-Kirchhoff积分修正方法，并进一步将自治方法的数值求解拓展到了时域，给出了气泡尾流的声回波。最后，分析了不同粗糙起伏海面下气泡尾流的声回波信号。　　最后，提出了基于相干反向散射增强的气泡尾流多波束声呐探测方法。以多波束声呐为依托，讨论如何基于声呐设备获取气泡尾流的声学特性，并以此达到探测气泡尾流自身的目的。给出了基于常规波束形成、基于阵元间空间关联系数和基于相干反向散射增强的气泡尾流多波束声呐探测方法，并展开对比分析。阐明了基于相干反向散射增强的气泡尾流多波束声呐探测方法的抗混响干扰能力，并在仿真环境内就气泡尾流的孔隙率、气泡尾流的多分散性和声呐阵列—气泡尾流的相对空间位置等因素对该多波束声呐探测方法作了定性讨论。为对理论及数值研究结论进行验证，基于无量纲分析界定了气泡尾流中多重声散射占据主要地位时多波束声呐对应的中心频率，并依此展开了基于相干反向散射增强的气泡尾流多波束声呐湖上验证试验，对外场试验数据进行处理，以多波束声呐作为试验手段，实船气泡尾流作为声学目标展开研究:(1)在无湖面直达回波的基础上观测气泡尾流，验证了基于相干反向散射增强的气泡尾流多波束声呐探测方法;(2)在有微扰湖面直达回波的基础上验证了基于相干反向散射增强的气泡尾流多波束声呐探测方法的抗混响干扰能力。
作者：	范雨喆
专业：	水声工程
导师：	李海森
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2022