水声发射换能器及基阵的辐射声场建模与计算

本文在系统研究了各种典型声源声辐射的基本规律,以及边界元方法基本理论的基础上,对水声发射换能器及基阵的辐射声场的建模与计算进行了深入的研究。主要研究的内容及结果如下: 一、在研究了线性声学的一些基本内容的基础上,对声波辐射的一般概念和几种典型声源的声波辐射的解析计算进行了系统的研究。包括均匀脉动球源的辐射声场和辐射阻抗的计算、等间距均匀离散直线阵的远场声辐射的计算以及无限大刚性障板上圆形活塞的辐射声场和辐射阻抗的计算等。推导了表面振速分布不均匀的辐射器的辐射阻抗与辐射器辐射声功率之间的关系。还研究了基阵中各阵元自辐射阻抗与互辐射阻抗的计算方法。 二、研究了利用边界元模型计算振动体声辐射的问题。详细研究并推导了边界积分方程,包括外部赫姆霍茨积分方程、表面赫姆霍茨积分方程和内部赫姆霍茨积分方程。研究了边界元数值计算的方法,包括使用等参变换的方法用二次插值形函数进行计算、奇异积分问题的处理以及解的非唯一性问题的处理。还研究了利用边界元模型计算声辐射的几个特殊问题,包括半空间问题、障板问题和振动体高频辐射时的渐近公式。 三、研究了利用基于边界元方法的SYSNOISE软件来计算各种声源的声辐射。首先研究了SYSNOISE软件的功能与使用,然后分别用边界元方法计算了均匀脉动球、无限大刚性障板上圆形活塞的辐射声场和辐射阻抗,并与解析解进行了比较,数值解与解析解吻合得很好,表明边界元方法计算精度的可靠性。然后又用边界元方法计算了无限大刚性障板上方形活塞的辐射声场和辐射阻抗,以及两个圆形活塞和两个方形活塞之间的互辐射阻抗,还计算了无限大刚性障板上线列阵和平面阵的辐射声场与辐射阻抗。最后用边界元方法计算了有限大障板上的换能器阵的辐射声场与辐射阻抗,包括四元平面阵和水下自主航行器(AUV)头部的共形阵。 四、研究了用边界元理论结合优化方法求解水声发射换能器共形阵的振速加权向量,以获得良好的发射性能。推导出了换能器阵辐射声场的声压与振速加权向量之间的关系式,并提出了振速的两种加权方式,分别为考虑障板影响及阵元间相互作用时的相位补偿加权和最小二范数加权。