反声复合材料指挥室围壳声目标强度研究
Research on Target Strength of Submarine Sails Made by Sound-reflecting Composites
指挥室围壳是水下潜艇最主要的回波源之一.将围壳的透水轻外壳由传统的钢质结构变为三明治夹芯复合材料结构,配合围壳的外形设计与复合材料设计,能降低围壳的声目标强度,缩短主动声呐对潜艇的探测距离.基于PEM/HL算法(板块元-亮点混合算法)、正交各向异性材料传递矩阵理论,建立了反声复合材料指挥室围壳目标强度预报模型.利用此模型研究了围壳外形优化设计、反声材料优化设计对围壳目标强度的影响,并提出了低目标强度围壳设计建议.首先利用刚性球、单壳benchmark潜艇模型验证了几何声学理论与板块元算法的计算精度.以上两者为PEM/HL算法的基础.分别使用不同理论方法计算反声复合材料的声学系数,并与自由水池试验测试值对比,发现实测结果与传递矩阵理论、声学有限元理论的结果的趋势一致,而与三明治板声传输理论所得结果的趋势差别很大.修正材料参数后,传递矩阵方法所得理论结果与实测结果吻合度非常高.由此证明传递矩阵方法适用于计算反声复合材料声学系数.利用围壳目标强度预报模型,发现对于钢质围壳内部,耐压容器回波干涉产生典型的Bragge散射特征,耐压容器互遮挡使钢质围壳艏部、艉部等方向目标强度小幅降低;对于反声围壳,上述的影响则很小.当围壳为垂直造型时,详细对比分析了钢质围壳和反声围壳的目标强度特征,发现在靠近艉部入射方向上,反声围壳目标强度显著低于后者;在正横附近的入射方向上,反声围壳目标强度则略高于后者.改变指挥室围壳与水平面的截面的翼型,随着截面厚度的增大,目标强度指向性分布基本不变,艏部目标强度有一定提高.将反声复合材料围壳的造型由竖直改变为带倾角的形式,可显著降低正横附近方向的回波水平,例如当频率为10KHz,倾角为10°时,入射角90°~105°内的目标强度平均值下降约18dB;相应的,钢质围壳目标强度下降的幅度相对较小;而且随着围壳倾角增大,围壳正横方向目标强度先迅速下降然后趋于稳定.对于声波一定角度掠入射倾斜型指挥室围壳的情况,反声围壳目标强度较钢质围壳高;而且当声波掠入射角接近围壳倾角时,正横附近方向的目标强度会显著提高.最后建立了指挥室围壳目标强度叠加的定量数学模型,指出总回波能量与轻外壳声压反射系数的平方呈二次函数关系.基于此数学模型,得到了对应围壳总目标强度最小值的轻外壳理想声压反射系数.利用遗传算法对反声复合材料参数进行优化设计,在围壳前缘使用反声性能较弱的材料,在围壳艉部区域采用反声性能较强的材料,一定程度上降低了指挥室围壳的目标强度.
- 作者：
- 胡泊
- 学位授予单位：
- 中国舰船研究院
- 专业名称：
- 船舶与海洋结构物设计制造
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2017年
- 导师姓名：
- 曾革委
- 中图分类号：
- U674.76
- 关键词：
- 围壳；板块元；目标强度；传递矩阵；遗传算法
- sail； planar element method； target strength； transfer matrix； genetic algorithm