隐声衣与水中目标复合结构的声散射特性研究

Acoustic cloaking is a new concept coating can enhance anechoic performance of underwater targets at low frequency. An important indicator of evaluating anechoic performance is the sound scattering characteristics from composite structure of underwater target and acoustic cloaking. Based on the sound propagation characteristics and stealth mechanism of ideal acoustic cloaking, the acoustic cloaking will be designed by homogeneous isotropic multilayer medium using the effective medium approximation theory and wave theory in layered media， and the sound characteristic will be analyzed, at the same time, the material parameters will be feasible, the acoustic cloaking will be suitable for any target. Theoretical models and numerical techniques of the scattering field from composite structure of underwater target and acoustic cloaking will be formulated, and the theoretical comparison and experimental measurement methods will be used to validate the numerical techniques. Finally, the sound scattering characteristics and stealth mechanism from the composite structure of underwater target and acoustic cloaking will be studied. The results will provide theoretical foundation for development of acoustic cloaking in actual project and enhancing anechoic performance at low frequency.

隐声衣是一种可提高水中目标低频声隐身效果的新概念覆盖层，而评价其声隐身效果的重要指标是隐声衣与水中目标复合结构的声散射特性。本项目根据理想隐声衣的声传播特性及隐身机理，采用有效介质近似理论和分层介质的波动理论，设计出材料参数在可行范围内，适合任意目标声隐身的各向同性多层介质结构的隐声衣，并分析其声特性。建立这种隐声衣与水中目标复合结构散射声场的理论模型和数值求解技术，并采用理论对比与实验测量的方法进行数值计算技术有效性验证。最后，研究隐声衣与水中目标复合结构的声散射特性及声隐身机理。项目的研究成果为实际工程中隐声衣的研制以及水中目标低频声隐身效果的提升提供理论基础。

隐声衣是一种可提高水中目标低频声隐身效果的新概念覆盖层，理想隐声衣和被它覆盖的目标对探测声波无散射、无扰动，从而实现真正意义上的完全隐身,以此躲避声纳的探测与跟踪，降低被发现概率，提升自身战斗力。. 由于理想隐声衣的材料为各向异性的密度及标量的体积弹性模量，为了简化材料构造一般将均匀各向同性材料构成的多层结构介质应用到隐声衣的设计中。本项目也采用各向同性多层介质近似各向异性材料隐声衣的思路开展研究，主要研究内容包括，各向同性多层介质结构的隐声衣设计研究；弱化的隐声衣结构设计及其声特性研究；隐声衣与水中规则弹性壳体复合结构的声散射特性研究；隐声衣与水中复杂结构弹性壳体复合结构的声散射特性研究和相应数值方法和求解技术的有效性验证。. 项目研究中先将隐声衣进行弱化设计，建立了弱化的各向同性多层介质隐声衣设计模型，分析了多层介质结构隐声衣的声特性，结果表明，构成弱化隐声衣的相邻层的材料密度和声速相差较大，多重散射在其声传播过程中起到关键作用，即入射波被多层结构介质各分界面多次散射。再将弱化的隐声衣敷设在弹性壳体表面，采用基于层合板理论的有限元－边界元建立了隐声衣与弹性壳体复合结构的声散射问题的求解模型。最后，通过理论验证与实验验证相结合的方法验证数值计算模型的有效性。对弹性球壳覆盖多层结构弱化隐声衣的声散射特性研究表明，隐身衣能极大的降低了球壳的声目标强度，而且特别重要的是提高了低频消声效果，除存在第一个谐振峰外，明显抑制了弹性球壳的谐振特性。对覆盖隐声衣非规则弹性壳体的声散射特性研究表明，弹性壳体敷设隐声衣后，目标的散射声场明显减弱，总声场实部的带状极大极小分布是声场叠加所形成，覆盖隐声衣后，这种带状分布的扰动特性明显减弱。此外，声波进入隐声衣后，波阵面逐渐弯曲变形，入射波被多层结构介质各分界面多次散射，使得通过隐声衣到达弹性体表面的声场强度减小，进而减弱了弹性壳体的声散射强度。