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流体中弹性球壳声散射研究

刘孝斌  
【摘要】:水下目标的探测和辨识需要对于目标散射的物理机制有更深入的了解。水下目标如水雷和潜艇由弹性体构成,弹性体会激发出弹性波成分,与刚性体散射有很大的区别。 形态函数是目标的固有属性,对于目标的探测和辨识有重要意义。目前国内弹性球壳关于形态函数的研究主要集中在已知目标各种参数包括尺寸和声参数的情况下求解形态函数。我们在实验室或者海洋中水听器接收的为散射信号时间序列,时间序列能不能用来计算目标的形态函数?本文验证了从散射信号时间序列中提取形态函数的可行性。 为了要提取形态函数,首先要分清散射信号时间序列的各种成分。弹性球壳的解析理论主要有共振散射理论和Sommerfeld-Waston变换,本文中共振散射理论对弹性厚球壳进行解析计算,同时MIT开发的ScattOASES3D数值模型计算弹性厚球壳的散射信号时间序列。弹性球壳散射信号中包含着镜反射波和各种弹性成分,它们因为传播路径的不同,造成了时间上的间隔,解析理论计算的结果和数值模拟结果的时间间隔进行比较,两者吻合得很好,散射信号的结构成分就可以分清。 共振散射分为背景项和共振项,背景项和共振项分别对应镜反射成分和弹性成分,镜反射成分和弹性成分在时间上的间隔,镜反射成分经过校准可以作为入射声场,形态函数就可以计算得到。这种方法应用在文中数值模拟得到的散射信号时间序列上,计算得到了形态函数,同时也能得到形态函数的共振项。形态函数与共振散射理论解析计算得到的形态函数进行比较,两者吻合得比较好,在共振频率处前者得到的形态函数要高于由后者得到的形态函数,这是因为在共振频率处能量耦合进入弹性球壳较多。因为声波在波导传播过程中会有畸变,这样入射声场就难以确定,本文中所述的在入射声场未知的情况下从散射信号时间序列中提取形态函数的方法就表现出了优越性。 群速度的估算是一个相对独立的问题,用Wigner-ville分布对弹性厚球壳的散射信号时间序列进行时频分析,同时暴露出频散现象和时间延迟现象。Wigner-ville分布的一阶矩等于群延迟,用已知的传播路径和两个波包的群延迟之差,就可以求解表面环绕波在弹性球壳内传播的群速度,求解得到的群速度与共振散射理论计算得到的群速度吻合。群速度与目标材料有着很大的关系,这就为辨识目标有很大的帮助。 薄球壳的散射与厚球壳的散射有很大不同,有明显的中频率加强现象。通过对中频率加强现象的统计,得出了外半径a和厚度h是以加强最强的角频率w_p和回波延迟△t为变量的关系式。数值模型模拟得到时间序列之后,可以读取回波延迟,通过前面所讲的从时间序列中提取形态函数的办法得到加强最强的角频率,代入关系式计算得到外半径和厚度。


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