Page 147 - 《应用声学》2025年第3期

第 44 卷 第 3 期 刘齐乐等： 水下声源指向性调控结构优化设计与仿真 681

2.2 圆台形结构的尺寸优化结果及分析 2.3 圆台形结构高指向调控机理分析
根据拓扑优化的结果，仿真时将圆台形结构的 根据本节的仿真结果，经过尺寸优化得到的
上底半径a 固定为 0.3 m，待优化参数下底半径b 和 圆台形结构下底半径 b = 0.1482 m，约为该频率下
结构高度 H 的取值范围分别为 0∼0.3 m、0∼0.6 m。 硅橡胶中 3/4 波长 (λ s = 0.2 m，f = 5 kHz)，高度
在上述条件下，经过尺寸优化得到的指向性因子最 H = 0.4570 m，约为 9/4 波长。硅橡胶结构的这种
大值约为 41.06，此时对应的硅橡胶结构的下底半 特性意味着其对点源的指向性调控作用可能与结
径 b = 0.1482 m，高度 H = 0.4570 m。图 7 分别给 构本身的某种特征模态有关。
出了这种圆台形结构与点源共同作用时的外场计 为便于计算特征频率，按照相同的方法重新设
算结果以及指向性图。经尺寸优化得到的圆台形硅 计了一个小声速小尺寸的圆台形结构。小尺寸圆台
橡胶结构可将点源调控获得 −3 dB 波束开角约为 形结构的材料声速设为 500 m/s，其他仿真条件保
24.10 的指向性声源。与拓扑优化得到的结果相比， 持不变。根据经验，待优化参数abH 的取值范围分
◦
尺寸优化的结果其−3 dB波束开角仅展宽约 4 ，但 别为 0∼0.2 m、0∼0.15 m、0∼0.3 m，在上述条件下，
◦
拓扑结构得到了较大的简化，在实际应用中便于加 经过仿真优化得到的指向性因子最大值为 17.44，
工且能有效降低成本。 −3 dB波束开角约为42.01 ，此时对应的圆台形结构
◦
ܱڤૉՔভ(ӭͯ: dB)
ܱڤܦԍጟ 0°
20 30° 330° ړԼॎᆪ
0 dB ൃᑛፇ౞
-20 140
60° 300°
135
40 130
125
20
120 90° 270°
-40 -20 0
115
0
110
-20 105
120° 240°
100
20 95
0 150° 210°
-20
180°
(a) ܱڤܦԍጟʼ፥ڏ (p ref =1 mPa) (b) ܱڤૉՔভڏ
图 7 圆台形结构优化结果指向性图
Fig. 7 Directional diagram of the optimization result of circular platform structure

ܱڤૉՔভ(ӭͯ: dB)
ܱڤܦԍጟ 0°
20 ࠵ࡇࠪᆪ
30° 330°
0 dB ൃᑛፇ౞
-20 135
40 60° 300°
130
125
20
120
90° -40 -20 0 270°
115
0
110
105
-20 120° 240°
100
20
0 95
-20 150° 210°
180°
(a) ܱڤܦԍጟʼ፥ڏ (b) ܱڤૉՔভڏ
图 8 小尺寸结构优化结果仿真指向性图
Fig. 8 Directional diagram of the optimization result of small size structure