Page 149 - 《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 683

出的结构对点源指向性的调控作用随频率呈起伏 6.5
6.0
变化，这些峰值与谷值恰好分别与图10中所示的部 5.5
5.0
分特征频率相对应，这些特征频率又分别代表了有 4.5
利于指向性辐射和不利于指向性辐射的两种共振 ܦԍ/Pa 4.0
3.5
模式，分别如图 10(a)、(c)、(e)，图 10(b)、(d)、(f) 所 3.0
2.5
示。这说明本研究中圆台形结构作用于点源后形成 2.0
1.5
的高指向性现象是利用了该结构的某些特征模态。
1.0
0.5
3 圆台形硅橡胶结构的指向性接收仿真 -0.1 0 0.1
r/m
根据互易定理，上述圆台形硅橡胶结构理论上 图 12 平面波正入射结构下底面声压分布
也可实现指向性接收，即在指向性发射优化仿真中 Fig. 12 Sound pressure distribution under the

声源位置处放置水听器时，对于不同方向的来波， structure by a normally incident plane wave
接收到的幅值也应有所不同。继续对上述结构的接
Pa
收指向性进行有限元仿真。通过设置平面波背景压 6
力场来模拟远场来波入射到硅橡胶结构时的情况。
4
图 11 为 5 kHz 平面波垂直于圆台形结构上底面入
2
射时的声场分布，背景压力场的幅值为 1 Pa。此时 0
在圆台形结构的底部中心处产生了声压的极大值， -2
对应结构与点源共同作用时在 0 角实现高指向性 -4
◦
波束的情况。 -6

঴ܦԍڤ/Pa (a) К࠱ᝈ θ=15O
6 Pa
6
4
4
2
2
0 0
-2 -2
-4
-4
-6
-6
(b) К࠱ᝈ θ=30O
图 11 平面波正入射总声压场
Pa
Fig. 11 The total sound pressure field by a nor- 6
mally incident plane wave 4
同时注意到该结构此时起到类似聚焦的效果， 2
但不同于一般物理学中的透镜，焦点并非位于轴线 0
上距透镜一定距离处，而是位于结构底面。图 12给 -2
出了结构下底面附近声压幅值随距底面中心距离 -4
的变化情况。图12所示下底面处声压幅值从最大降 -6
低 3 dB 时，对应的距底面中心距离约为 10.68 cm， (c) К࠱ᝈ θ=45O
小于此频率下水中声波的半波长 15 cm，这一特性
图 13 平面波以不同角度入射时总声压场
与其和点源共同作用时能形成的高分辨指向性波 Fig. 13 Total sound pressure fields by plane waves
束相对应。 with different incident angles