Page 159 - 应用声学2019年第4期

第 38 卷 第 4 期 衣晓锋等： 浅海低频垂直相控阵多模声场聚焦 619

式 (15) 给出的即是多模声场聚焦的发射权系数，利 说明的一点是，图 4 中在不同距离和深度处出现了
用多模权系数发射得到的聚焦声场为多模声场，声 多个能量比较高的声场聚焦区域，这是由前 3 阶模
场绝大部分能量将集中在前3阶模态中。 态在声场中相互干涉造成的，这也是多模声场的
图 4 是环境失配情况下多模声场的聚焦效果， 特点。
参数设置跟第 1 节一致。从图 4 中可以看到，聚焦
声场由一个焦点变成了一块聚焦区域，虽然聚焦区 表 2 多模聚焦声场在前 12 阶模态中的能量分布
域的中心相对于期望聚焦位置也有所偏移，但由于 Table 2 The energy distribution in first 12
其具有很大的跨度，期望的聚焦位置仍包含在实际 modes of the multi-mode focused field
聚焦区域内。表2给出了期望聚焦位置(r = 10 km,
模态能量占总声场能量百分比/%
z = 12 m) 处多模聚焦声场在前 12 阶模态中的能 模态阶数 无环境失配 环境失配
量分布，无环境失配时前 3 阶模态占据了聚焦声场 1 23.21 22.67
97.84% 的能量，而环境失配情况下前 3 阶模态也占 2 47.18 46.90
据了聚焦声场 96.55%的能量，说明多模声场聚焦将 3 27.45 26.98
4 0.11 0.27
绝大部分能量都集中到了前 3 阶模态中，而且环境
5 0.21 0.37
失配对聚焦位置处的声场能量分布影响更小。需要 6 0.40 0.54
TL/dB 7 0.37 0.46
120
5 8 0.15 024
10 100 9 0.10 0.19
ࠄᬅᐑཥͯᎶ
15
రమᐑཥͯᎶ 10 0.26 0.32
20 80 11 0.24 0.31
ງए/m 25 60 12 0.12 0.20
30
35
40 40
图 5 给出了聚焦深度分别为 12 m、25 m、38 m
45
50 20 时 r = 10 km 处接收声场幅值的深度分布情况，其
8 9 10 11 12
ᡰሏ/km 中实线是无环境失配时最优权系数聚焦的声场分
布，虚线是存在环境失配时最优权系数聚焦的声场
图 4 环境失配时多模聚焦声场
分布，点线是无环境失配时多模权系数聚焦的声场
Fig. 4 The multi-mode focused field in the mis-
matched environment 分布，点画线是存在环境失配时多模权系数聚焦的

0 0 0
௄ဗܒܿᦡత͖ిጇ஝ ௄ဗܒܿᦡత͖ిጇ஝
ဗܒܿᦡత͖ిጇ஝ ဗܒܿᦡత͖ిጇ஝
௄ဗܒܿᦡܳവిጇ஝ ௄ဗܒܿᦡܳവిጇ஝
10 10 ဗܒܿᦡܳവిጇ஝ 10 ဗܒܿᦡܳവిጇ஝

20 20 20
ງए/m ງए/m ງए/m

30 30 30

௄ဗܒܿᦡత͖ిጇ஝
40 ဗܒܿᦡత͖ిጇ஝ 40 40
௄ဗܒܿᦡܳവిጇ஝
ဗܒܿᦡܳവిጇ஝
50 50 50
0 0.5 1.0 0 0.5 1.0 0 0.5 1.0
ॆʷӑܦڤࣨϙ ॆʷӑܦڤࣨϙ ॆʷӑܦڤࣨϙ
(a) ᐑཥງए˞12 m (b) ᐑཥງए˞25 m (c) ᐑཥງए˞38 m
图 5 10 km 处聚焦声场的归一化声场幅值
Fig. 5 The normalized amplitude of the focused sound field at the range of 10 km