水下目标的声散特性及其模拟

水下目标的声散射特性研究具有重要的理论价值和广泛的实际应用背景，是声呐以及水中武器系统对目标进行探测、定位、...



水下目标的声散射特性研究具有重要的理论价值和广泛的实际应用背景，是声呐以及水中武器系统对目标进行探测、定位、识别基础，是声呐应用的反问题。

声呐目标强度是声散射特性的重要指标，声呐目标强度计算目前主要有三种方法：

• 一是亮点模型法，采用亮点的概念，利用子目标分解一合成的方法。该方法由于子目标的数量有限，不能很精确的逼近目标的形状，对于复杂结构必然会带来一定的误差；
• 二是采用BEM方法，典型应用软件为Sysnoise。采用该方法可以模拟复杂形状的目标，但是当目标较大，波长较小时，划分网格数目大，而BEM方法需要解满秩矩阵，在计算规模变得时，计算速度下降非常快，对计算资源要求也非常高。通常经验是超过1万自由度的模型规模，Sysnoise就很难承受；
• 三是板块元方法，该方法是目前工程界应用较多的方法，借鉴了雷达散射截面的方法。从计算精度看，板块元方法实际上是介于亮点模型和数值仿真方法的，但是和亮点模型一样，对复杂结构的描述不够精确，而且板块之间的耦合也没有考虑，仅适合部分工程应用，对于需要较高精度的研究则不太合适。

传统的分析方法，无论是传统的BEM方法还是板块元方法都要面对一个问题——流固耦合问题。

传统方法中采用经典的振动控制微分方程求解结构，采用CFD或者波动方程求解声场，两类控制方程的自由度不同，在求解的过程中，流体域和结构域需要分别单独求解，然后在同一时间步上交换流固界面数据，进行下一时间步的求解。从流程上可以看出，上述求解过于复杂，且求解难度大。更重要的问题是，这样的求解实际上是非强耦合的模式，只是一种松散的数据交换完成所谓的流固耦合分析。

而工程中采用的是一种更为简单的模式，即不考虑流体介质对结构产生的二次影响，只考虑附加质量效应。这样的简化在流体为空气的情况下是可接受的，但是在水这种重流体中存在巨大的误差，典型应用就是ANSYS+Sysnoise的分析方案。

如果流体域和固体域均采用了统一的控制方程，即波动方程，对于求解来说就没有所谓的“流固耦合”问题，只有不同媒介内的投射和反射传播问题。这种架构的优势不仅可以提高求解精度，而且大大降低了对计算资源的需求，减少了计算时间。

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