基于有源吸聲單元的聲隱身技術(shù)研究論文
摘 要：對(duì)聲隱身技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了概括，提出開(kāi)展主動(dòng)吸聲層研究的必要性；構(gòu)建了基于有源吸聲單元的主動(dòng)吸聲層模型，并對(duì)吸聲單元的吸聲性能進(jìn)行了理論分析及計(jì)算機(jī)仿真研究，驗(yàn)證了該方案的可行性。
關(guān)鍵詞：聲隱身；有源聲學(xué)結(jié)構(gòu)；吸聲
引言
隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)向電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)方向的發(fā)展，軍事目標(biāo)的隱身性能成為決定其生存能力及戰(zhàn)斗力的重要指標(biāo)。對(duì)于海軍，其主要偵察手段多是利用聲波進(jìn)行的，假如設(shè)備的輻射噪聲比較高，會(huì)降低自身的隱蔽性而受到攻擊；另一方面，為了獲得更好的隱身性能，還需要考慮如何應(yīng)對(duì)主動(dòng)聲吶的探測(cè)。如果能將聲吶的探測(cè)波有效的進(jìn)行吸收，使回波減弱，則可大大加強(qiáng)目標(biāo)的隱身性能�；诖耍疚奶岢隽艘环N應(yīng)用有源吸聲單元構(gòu)建吸聲層，以提高目標(biāo)聲隱身性能的方法。
1. 聲隱身技術(shù)現(xiàn)狀
在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)條件下，軍事目標(biāo)特征包括電磁特征、光學(xué)特征、聲學(xué)特征以及尾流特征等。由于水中環(huán)境的特殊性，只有聲探測(cè)可以達(dá)到遠(yuǎn)程[1]，因此對(duì)于海軍而言，聲隱身性能尤為重要。潛艇以其隱蔽性和機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)成為各國(guó)發(fā)展的重點(diǎn)[2]。然而隨著聲吶及信號(hào)處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，潛艇的隱蔽性受到了極大的威脅，提高潛艇聲隱身性能成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。
由于主動(dòng)聲吶技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅是潛艇本身的輻射噪聲，甚至是艇體表面對(duì)聲吶探測(cè)波的反射都成為了暴露目標(biāo)的致命因素。為了降低艇體對(duì)聲波的.反射，目前各國(guó)的潛艇大部分都敷設(shè)了消聲瓦。消聲瓦是一種利用材料的聲學(xué)性能實(shí)現(xiàn)吸聲的無(wú)源控制方式。研究表明，這種控制方式對(duì)高頻聲波的控制效果較好，而對(duì)低頻聲波控制不佳[3]。隨著聲吶技術(shù)不斷向大功率、低頻段方向發(fā)展，普通的被動(dòng)消聲瓦已無(wú)法滿足潛艇聲隱身的需要，因此各國(guó)相繼開(kāi)展了主動(dòng)消聲瓦的研究，然而由于種種原因的限制，目前該技術(shù)還未發(fā)展到大規(guī)模應(yīng)用階段。
2. 應(yīng)用有源吸聲單元構(gòu)建主動(dòng)吸聲層
對(duì)于主動(dòng)消聲瓦的研究，屬于有源吸聲的研究范疇。其根本思路在于利用次級(jí)力源或次級(jí)聲源向外輻射的聲波，與聲吶的探測(cè)波產(chǎn)生相消性干涉，實(shí)現(xiàn)“以聲消聲”，并利用誤差傳感器及自適應(yīng)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)次級(jí)源的實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)如圖1所示。但是次級(jí)源及誤差傳感器的個(gè)數(shù)及布放位置強(qiáng)烈依賴(lài)于外界環(huán)境，且為增大控制面積而采用的多通道系統(tǒng)也使系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性下降。鑒于以上原因，本文借鑒有源聲學(xué)結(jié)構(gòu)的相關(guān)理論，提出了一種基于有源吸聲單元的主動(dòng)吸聲層構(gòu)建方案。
圖1 有源吸聲系統(tǒng)示意圖
在每個(gè)吸聲單元中，包括了次級(jí)聲源和誤差傳感器，通過(guò)控制次級(jí)聲源的輸出，實(shí)現(xiàn)總反射聲功率最小，達(dá)到吸聲的目的。由于每個(gè)吸聲單元擁有獨(dú)立的誤差傳感器及控制器，故可通過(guò)多個(gè)吸聲單元的組合，實(shí)現(xiàn)大面積有源吸聲層的構(gòu)建，而整個(gè)控制系統(tǒng)算法的復(fù)雜度卻不會(huì)因此而增加。
3. 有源吸聲效果分析
由于每個(gè)吸聲單元相對(duì)獨(dú)立，因此對(duì)其吸聲效果進(jìn)行分析時(shí)，可將重點(diǎn)放在單個(gè)吸聲單元模型的分析上。模型中初、次級(jí)板平行，且間距遠(yuǎn)小于頻段內(nèi)聲波波長(zhǎng)。采用聲功率近場(chǎng)計(jì)算方法，可得到吸聲單元的總反射聲功率為：
其中為傳輸阻抗矩陣，為總法向振速，可表示為次級(jí)控制力向量的函數(shù)：
結(jié)合式（1）、（2）可以看出，總反射聲功率是的二次型函數(shù)，可求得唯一的一組控制力向量使得反射聲功率最小，此時(shí)的即為吸聲結(jié)構(gòu)的最優(yōu)控制力向量。最優(yōu)控制力向量及最小反射聲功率分別為：
式中，C、D、E的表達(dá)式見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。
對(duì)吸聲單元進(jìn)行算例仿真。仿真中，著重關(guān)注300Hz以下頻率范圍內(nèi)的聲反射及吸收問(wèn)題。在次級(jí)源作用前后，吸聲結(jié)構(gòu)的總反射聲功率對(duì)比如圖2所示。圖中實(shí)線及虛線分別表示次級(jí)源作用前、后結(jié)構(gòu)總反射聲功率。從圖中可以看出，次級(jí)源作用后，總反射聲功率有所下降，也就是說(shuō)吸聲單元具有一定的吸聲性能。在低頻段，控制前后的總反射聲功率相差較大，隨著頻率的升高，吸聲效果逐漸減弱，說(shuō)明有源控制適用于對(duì)低頻聲的吸收。
圖2 有源控制前后吸聲單元的反射聲功率
結(jié)論
本文對(duì)國(guó)內(nèi)外聲隱身技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，可以看到，目前廣泛采用的被動(dòng)消聲瓦對(duì)低頻聲波的吸收性能很差，在應(yīng)用上存在一定的局限。結(jié)合有源聲學(xué)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了一種基于有源吸聲單元的聲隱身技術(shù)，并對(duì)吸聲單元進(jìn)行了建模及仿真分析，驗(yàn)證了對(duì)低頻聲波的吸收性能。吸聲單元可結(jié)合誤差傳感器及控制器，通過(guò)一定的自適應(yīng)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)吸聲效果的實(shí)時(shí)控制。利用有源吸聲單元的組合，可構(gòu)建大面積主動(dòng)吸聲層，提高裝備的聲隱身性能。
參考文獻(xiàn)：
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