Page 122 - 《应用声学》2023年第4期

784 2023 年 7 月

从图 3 中可以看出，在 500 Hz∼55 kHz 频率范
2 分层弹性球壳的时域声学编码
围内，4 层球壳的三维有限元仿真结果与简正级数
解结果比较吻合。考虑到有限元计算量大、计算时 2.1 时域声学编码方法
间长，因此本文利用 4 层弹性球壳的简正级数解进
图4为分层弹性球壳的时域声学编码流程示意
行目标声散射特性的计算，并据此开展时域声学编
图，时域声学编码主要步骤为：
码研究。
(1) 计算目标的时域回波的信息。基于严格弹
表 3 材料参与计算的参数 性理论计算分层弹性球壳的声传递函数，通过构造
Table 3 Parameters of materials involved 高频主动声呐窄脉冲探测信号，与弹性球壳声传递
in calculation
函数做卷积运算，获得目标的声散射时域回波。一
材料 密度/(kg·m −3 ) 杨氏模量/Pa 泊松比 般说来，目标所处环境均存在不同程度的海洋环境
铁 7800 2.1 × 10 11 0.28 背景噪声干扰，这就需要对回波信号进行滤波处理，
铝 2790 7.15 × 10 10 0.34
即仅考虑探测信号频段分量，并要求有足够高的发
铜 8600 1.04 × 10 11 0.37
射声源级和有限的探测距离，以保证具有足够的信
橡胶 1000 6.1×10 6 0.49
PVC 1190 2.41×10 9 0.38 噪比，使所需要的目标回波信号与背景噪声分离。
聚碳酸酯 1900 2.32×10 9 0.39 图5(a) 为随机海洋环境背景噪声波形，图5(b) 为具
聚乙烯 915 0.95×10 10 0.41 有随机环境噪声的目标时域回波，经滤波处理后得
到图 5(c)所示的含有目标信息的时域回波图。在高
频、窄脉冲的工况下，分层球壳的几何回波和各层

߹ᎿӜᦡࡏ 弹性回波在时域上会相互分离，这些时域回波特征
为声学编码提供了数据支撑。主要散射特征包括几
ܱᦊܦڤ
何散射和弹性散射，在时域回波中表现为较强的亮
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条纹，这些亮条纹峰值通常由若干个尖峰组成，在对
y
ᄾቇ 峰值的特征识别中容易认为是多个峰值，不能准确
x
判断出峰值点位置。
z
图 2 有限元 1/4 对称球壳声散射计算模型 (2) 提取回波的主要散射特征。为了降低海洋
Fig. 2 Finite element 1/4 symmetric spherical 环境噪声影响，避免对时域回波峰值点位置的误判，
shell calculation model 更准确地获取几何散射和弹性散射峰值所对应亮
条纹的位置，在数学软件中采用 envelope 函数包络
0
方法，对时域回波进行包络处理。
-10
-20
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-40

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
ᮠဋ/kHz ௑۫ܦߦᎄᆊ
图 3 “铁 -铝 -铜 -铁” 球壳目标强度计算结果 图 4 分层弹性球壳的时域声学编码流程示意图
Fig. 3 TS results of spherical shell with a config- Fig. 4 Schematic diagram of acoustic coding flow
uration of Fe-Al-Cu-Fe in time domain for layered elastic spherical shells