Page 160 - 《应用声学》2025年第3期

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sandwich layer rudder acoustic scattering is established, and the effects of multiple composite layer Poisson’s
ratio precision, core layer elastic modulus, density, and the ply angles of each layer on the acoustic scatter-
ing characteristics of the sandwich layer structure rudder are calculated and analyzed. The results show that
combining the transfer matrix method with the curved panel element method can rapidly predict the acoustic
scattering and target strength of underwater composite sandwich layer shell structures; using composite sand-
wich layer structures underwater instead of traditional steel structures has good acoustic regulation effects; to
accurately predict the acoustic scattering and target strength of multi-layer composite structures, the Poisson’s
ratio should be taken to three decimal places or more. The above methods and calculation results are provided
for reference in predicting and analyzing the acoustic scattering and target strength of underwater composite
material multi-layer shell structures.
Keywords: Composite sandwich layer structures; C-rudder; Transfer matrix method; Curved planar element;
Acoustic scattering characteristics; Target strength

有限元方法、边界元方法等都能在一定频率范
0 引言
围内获得较为精确的计算结果，但是为了获得较高
水中目标的最大特点是隐身性能。随着声呐探 的计算精度，通常需要对模型划分较为密集的网格，
测技术的发展，人们要求其隐身性能不断提高，隐身 且入射信号频率越高，目标与声波发射接收点距
频率降低，这对吸声材料和隐身结构提出更高的设 离越远，网格数量越多，采用上述计算方法需要大
计要求 [1−2] 。水下航行器的艉舵、指挥室围壳等结 量的计算资源。1999 年，范军等 [16] 提出了声呐目
构是水下航行器的主要附体散射源之一，一般为非 标强度的板块元计算方法，该方法基于物理声学法
耐压结构，其内部空腔充满水。目前，国内外已有研 (Kirchhoff近似)，用平面板块元近似模拟目标曲面，
究采用多层夹芯复合材料壳板代替传统钢质壳板， 将所有板块元的散射声场叠加得到总散射声场，能
虽已取得较好的声学效果 [3−6] ，但这些结构低频声 够克服高频计算量大的问题，并且经验证该方法计
散射调控技术仍未得到有效解决。 算精度较高。此后，郑国垠等 [17] 对板块元方法进行

计算弹性体的声反射和吸收主要采用声传递 优化，提出了考虑遮挡和二次散射的修正板块元算
矩阵法，万翾等 [7] 和 Lin 等 [8] 用该方法分别计算了 法。薛亚强等 [18] 将目标表面离散为曲面三角形网
正交各向异性复合材料板的吸声系数和反射系数。 格，通过与试验结果对比，验证了该方法具有良好的
Kuo 等 [9] 采用势函数方法推导了三维空间声传递 计算精度。
矩阵(传递矩阵阶数为6 × 6)。罗忠和朱锡等 [10−11] 受上述研究工作的启发，本文采用传递矩阵法
推导了斜入射条件复合材料的传递矩阵，并分析了
计算无限大复合材料夹芯层结构的声反射系数，并
声波在斜入射时的声传输特性。
将得到的反射系数和目标网格信息导入到曲面板
水下复杂目标的散射声场计算，大多数采用有
块元方法中，快速、准确地计算水下夹芯层结构复
限元、边界元等数值方法。杨志刚等 [12] 将声类比边
合材料十字舵的目标强度，可供数值计算、分析水
界元技术应用于内声场并考虑流体目标内外声场
下多层复合材料壳体结构和夹芯层壳体结构的声
的耦合，建立了水下运动流体目标声散的物理模型
散射特性参考。
和数值方法。徐忠昌等 [13] 采用边界元方法，计算了
BeTSSi-Sub 模型在 200 Hz 频率下的收发合置的目
标强度，并和文献给出的 BASIS方法所获参考值进 1 复合材料夹芯层结构的传递矩阵法
行了比较。周烨等 [14] 基于有限元仿真软件，给出了
大型三维目标的仿真应用方案，依据声固耦合算法 纤维复合材料与均质聚氨酯吸声复合材料组
以及完美匹配层，数值仿真计算分析了二维潜艇简 成夹芯层结构，用来制作水下十字舵壳体，其表层纤
单模型受激散射声场。李耀飞等 [15] 利用有限元软 维增强度高，透射性能好，聚氨酯作为夹芯层材料，
件，讨论了复合材料的性质对水下典型舵结构的声 吸声性能优良，二者组合既能降低十字舵结构对入
目标强度的影响。 射波的反射，且保持有高强度，可供实际使用。