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水下大尺度目标声散射特性研究

张剑飞  
【摘要】:水下大尺度复杂目标的声散射特性是水声技术中重要的应用基础研究,具有重要的理论价值和非常广泛的实际应用背景。随着“安静型”潜艇的大量出现,远程探测水下复杂目标变得越来越困难。因此对复杂目标的散射特性进行精确而快速的预报便成为声学研究的热点之一,同时也是目标回声特性研究的关键和难点。目前的声散射的仿真计算主要是应用解析解方法和数值方法,其中数值方法是一种有效而实用的方法,数值方法即是对目标进行三维建模并且划分网格,通过有限元、边界元、FDTD等计算方法进行分析计算求解。数值方法目前面临的主要瓶颈是计算速度问题,特别在计算较大尺度目标或高频问题时,由于目标划分的单元数较多,增加了求解时的矩阵维数和网格数量,因此常规方法耗时长甚至难以计算。为此各国学者在上述数值方法基础上又发展了新的快速计算方法—多极边界元法。多极边界元方法的主要思想就是将矩阵降维分解,达到快速计算的目的。加上并行计算技术,有望解决目前大尺度目标高频声散射计算瓶颈。本论文以提高数值计算效率为主要目标,着重研究了快速多极边界元法(FMBEM)在声散射方面的应用,借助于声学分析软件Virtual.Lab,对多极边界元法进行了精度和效率验证。 首先运用多极边界元法计算了刚性小球,刚性圆柱等简单形状目标的散射特性,并将计算结果于理论结果进行了对比。结果表明,运用Virtual.Lab软件中的多极边界元模块求解简单形状目标的散射特性是可行的并且结果也是准确的,充分证明了多极边界元法的正确性。然后运用传统边界元法和多极边界元法分别对不同网格数下的圆球模型进行计算,结果发现,当网格数超过2.2万时,快速多极边界元法的计算时间远远低于传统边界元法的计算时间,这充分证明了快速多极边界元法的高效性。 其次再次运用多极边界元法对弹性目标,一弹性球壳进行了声散射特性的计算,并将计算结果与理论解进行了比较,结果表明,多极边界元法也可以用于形状规则简单的弹性目标的计算。 最后采用Virtual.Lab软件中的多极边界元模块计算了Benchmark潜艇模型在100Hz、500Hz、1000Hz三个频率上的散射特性,并将结果与BASIS法的计算结果、传统边界元法和板块元的计算结果进行了验证比较。得出的结果说明,在大部分的角度内,尤其是在90度正横位置附近,Virtual.Lab软件中的多极边界元模块的计算结果与BASIS法、传统边界元法和板块元法的计算结果取得了较好的一致。 通过对水下目标声散射的特性研究,证明了使用Virtual.Lab软件中的多极边界元模块进行计算具有计算时间短,计算精度高等优点,在水下目标的散射特性预报方面,具有非常重要的作用和意义。


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