CN103164588A - 一种大功率聚能反射罩的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种大功率聚能反射罩的设计方法，首先以最佳费效比原则设计聚能反射罩外观结构，生成理想曲面型值表；然后以最佳反射效率原则，对聚能反射罩进行动力学和非线性声学分析，优化反射罩结构，获取修订曲面型值表并形成型面加工数据。本发明综合考虑动力学分析和非线性因素对聚能反射罩型面进行系统集成优化设计，大大提高了聚能反射罩的设计效率，并得到了最佳聚能的定向辐射性能；基于最佳费效比原则对聚能反射罩进行设计，降低了聚能反射罩的体积、重量和制造成本，便于搭载平台的安装和成阵；考虑了非线性效应，对聚能反射罩的型面进行修订，使其在额定载荷下的聚能综合效应达到了理想型面的最优反射效果。

Description

一种大功率聚能反射罩的设计方法

技术领域

本发明涉及一种大功率、高重复频率使用的聚能反射罩设计方法，尤其是一种利用动力学和非线性声学原理进行聚能反射罩优化设计的方法，可获得具有最佳费效比和最佳反射效率特性的大功率聚能反射罩。

背景技术

水下等离子体强声源优势明显，瞬间发射声功率大、发射脉冲窄、峰值能量大、电声转换效率高，可通过反射聚束技术形成高指向性的声脉冲波，来提高某指定方向上的声脉冲强度。此外，水下等离子体强声源具有脉冲波形参数可调、频率覆盖范围宽等特点，目前已在工业、科学、医学、军事等诸多方面得到了广泛应用。

但水下等离子体强声源产生的声脉冲基本上是各向同性的球面波，如不加处理，会按照球面波传播，以平方律迅速衰减。为了汇聚强声源的能量、控制声脉冲波的辐射方向，进一步提高指定方向强度和传播距离，需要采用聚能反射罩来控制强声的辐射方向并汇聚能量，从而提高强声源的辐射效率和指向性。

聚能反射罩的设计需要考虑的因素较多，在实际使用过程中，聚能反射罩的形状（口径、凹深、焦距）、材料（密度、硬度、表面光洁度）、动力学性能等决定了声脉冲波的反射效率、指向性等相关辐射性能，同时强声脉冲反射和汇聚的非线性效应也会影响聚能反射罩的定向辐射性能，因此迫切需要综合考虑各影响因素，建立一套完善的聚能反射罩优化设计方法，以获得最佳费效比和最佳反射效率的聚能反射罩。

《上海交通大学学报》（30卷5期109页）中的“球面脉冲波在凹椭球面上反射的聚焦声场”和《声学技术》（22卷1期18页）中的“开口凹球面聚焦声场分析”等文章中提出了利用凹球面对声脉冲波进行聚能的方法以及聚能声场分析。专利“可定位声场的反射型立体声音罩”（CN01220096.4）发明的反射型立体声音罩，它由凹面反射罩和扬声器组成，限制了声场的传播方向，增加了反射区内的信噪比；专利“冲击波发生器”（CN200420059495.7）发明了一种冲击波发生器，它是将抛物面反射体装在高压储能电容箱上，该抛物面反射体内缘呈喇叭状；专利“一种医用体外液电冲击波碎石装置”（CN01269738.9）设计了一种冲击波碎石装置，该结构采用凹面反射冲击波，在设计中考虑到频繁更换电极，所以该发明在反射面焦点两侧的反射体上对称的钻有贯穿性的中心孔，分别安装有电极管、电极芯、调节旋钮、结缘层、隔水罩等。但是，所有这些方法都只定性地给出了聚能反射罩的概念和结构，不能直接获得具体的聚能反射罩的设计方法。而在对聚能反射罩进行聚能声场分析时局限在理想条件下，并未考虑其安装误差及瞬态动力学响应，且大多局限于放电能量较小的医学领域，没有考虑大功率条件下的声脉冲非线性效应，更没有考虑聚能反射罩设计研制的费效比。《声学技术》（29卷1期107页）中的“ANSYS辅助楔形超声脉冲波聚能器的优化设计和实验研究”一文虽然采用有限元分析法，从聚能罩的形状、尺寸出发，对其进行模态分析、谐响应分析、耦合场分析，但也没有考虑大功率条件下的非线性效应，无法使聚能反射罩在大功率条件下获得最佳反射效率。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种综合定向辐射技术、非线性分析方法、动力学分析方法为一体的大功率聚能反射罩的设计方法，用于聚能反射罩的最优化设计，以提高设计效率和聚能反射罩的性能，实现大功率条件下的最佳定向辐射性能，以便于多元成阵和平台搭载。

技术方案

本发明的设计原理是：

首先以最佳费效比原则设计聚能反射罩外观结构，生成理想曲面型值表；然后以最佳反射效率原则，对聚能反射罩进行动力学和非线性声学分析，优化反射罩结构，获取修订曲面型值表并形成型面加工数据。

对于步骤1生成理想曲面型值表，首先固定焦距，采用增益函数法，计算不同开口半径、不同深度的反射面对聚束效果的影响，即聚能增益随反射罩深度h的变化关系，然后计算聚能增益对深度h的二次偏导数，得到二次偏导数随反射罩深度h的变化关系。当深度h增大时，聚能增益不再明显变大，这一临界点就是聚能反射罩深度h影响下的最佳费效比。求出聚能反射罩在该焦距下的最佳深度h后，确定其开口半径，结合反射曲面的几何特性生成理想曲面型值表，其具体步骤为：

步骤1.1：取聚能增益F为

，其中h为反射罩深度，b为椭球面反射罩长轴，ε为椭球面反射罩的偏心率，0≤h≤2b；保持椭球面反射罩半焦距c不变，求聚能增益F对反射罩深度h的二次偏导；将若干反射罩深度h代入聚能增益F对反射罩深度h的二次偏导，得到二次偏导数相对增加量小于0.1dB时对应的反射罩深度h为最佳费效比下的反射罩深度；

步骤1.2：由步骤1.1得到的为最佳费效比下的反射罩深度h，并根据椭球面反射罩的椭球面曲面方程得到椭球体的长轴b、短轴a以及反射罩的开口半径w，形成理想曲面型值表；

对于步骤2获取修订曲面型值表：首先，考虑反射罩为轴对称结构，利用有限元软件（如ABAQUS6.5/Explicit等）来建立反射罩单元模型；等离子体强声源在一定能量（100～5000J）条件下放电，产生声脉冲，将声压传感器置于目标处进行测量，然后利用线性声学方法，仿真反演并建立反射罩内表面的入射波压力分布模型P1，即冲击波载荷模型P1；对反射罩内表面加载冲击波模型P1，选用ABAQUS中的显式积分（Explicit）计算方法计算反射罩的动力学响应；分析反射罩在冲击载荷作用下的响应，预测反射罩在弹性变形范围内能够承受的最大冲击波载荷，优化反射罩结构并分析确定反射罩的额定载荷；在反射罩内表面上从端口到安装底面取一系列点，分析它们在额定载荷作用下的位移响应，通过预先调整反射罩理想型值表中对应点的坐标（将反射罩内表面修订为非标准型面），作为一种补偿设计，补偿修订反射罩在载荷运行中的位移，形成动力学因素修订因子，获得修订曲面型值表，具体步骤为：

步骤2.1：采用有限元软件构造反射罩的有限元分析模型，并且忽略反射罩的螺栓孔、螺纹、倒角因素；

步骤2.2：利用KZK方程和线性声学方法反演反射面压力分布，得到反射罩内表面的入射波压力模型P1；

步骤2.3：对步骤2.1建立的反射罩的有限元分析模型中的反射罩内表面加载入射波压力模型P1，并计算反射罩在冲击载荷作用下的响应，通过有限元软件优化反射罩结构并分析确定反射罩的额定工作载荷；

步骤2.4：根据步骤2.3确定的反射罩的额定工作载荷，调整步骤1得到的反射罩理想曲面型值表中对应点的坐标，使得反射罩在额定载荷作用下保持椭球型面，调整后的理想曲面型值表为修订曲面型值表；

对于步骤3获取加工曲面型值表：利用KZK方程建立非线性反射、衍射、吸收声场分布模型，描述水下强声定向辐射声场，经过仿真得到边缘波和中心波的传播特性和叠加特性，综合考虑反射形变的作用，得到非线性因素修订因子，在动力学修订曲面型值表基础上进而形成加工曲面型值表，最终获得反射罩型面加工数据，使聚能反射罩在额定载荷作用下达到理想型面的最佳反射效果，具体步骤为：

步骤3.1：根据声脉冲波的脉冲幅值、声脉冲波传递媒质的热传导和粘滞性以及步骤2得到的反射罩修订曲面型值表，利用KZK近似波动方程建立非线性反射、吸收、衍射声场分布模型，得到反射罩的声场分布；

步骤3.2：采用时域方法求解反射罩的声场分布，以反射罩焦点处实测声脉冲波作为输入数据，利用KZK逆向法求解初始波形，将求得的初始波形代入KZK近似波动方程，计算不同反射罩尺寸下的聚束声场分布，形成非线性因素修订因子，利用非线性因素修订因子对修订曲面型值表进行修订，得到加工曲面型值表。

有益效果

本发明的有益效果是：

1、本发明的设计方法由于综合考虑动力学分析和非线性因素对聚能反射罩型面进行系统集成优化设计，从而大大提高了聚能反射罩的设计效率，并得到了最佳聚能的定向辐射性能。

2、本发明基于最佳费效比原则对聚能反射罩进行设计，降低了聚能反射罩的体积、重量和制造成本，便于搭载平台的安装和成阵。

3、本发明由于考虑了最佳反射效率，设计的聚能反射罩声学性能好、辐射效率高，在应用中具有最佳辐射特性，便于在大功率条件下实现多元成阵。

4、本发明由于进行了动力学分析，提高了聚能反射罩的结构应力安全裕度和聚能效果，机械性能好、适装性强。

5、本发明由于考虑了非线性效应，对聚能反射罩的型面进行修订，使其在额定载荷下的聚能综合效应达到了理想型面的最优反射效果。

附图说明

图1是本发明利用椭球面进行聚能的原理图；

图中，c-半焦距，w-反射罩的口径，h-反射罩深度，F1-第一个焦点，F2-第二个焦点，a-椭球面的短轴，b-椭球面的长轴。

图2是本发明的获取聚能反射罩尺寸的流程框图。

图3是本发明的聚能反射罩的有限元分析模型图。

图中，忽略反射罩的螺栓孔、螺纹、倒角等因素，其安装面被施加以固定位移边界条件。

图4是有限元分析简化冲击波模型

图中，冲击声压载荷P1均匀作用在反射罩内表面上。

图5是本发明的声场反演分布的非线性效应。

图6是本发明的聚能反射罩的一种实施方式示意图。

图7是本发明利用抛物面进行聚能的原理图；

图中，w′-口径，h′-深度，F-放电电极位置。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

实施例1：

本实施例所要设计的椭球面聚能反射罩结构如图1所示，其曲面方程可表示为：

。图中，c是反射罩的半焦距，c取0.15～15m，w是反射罩的口径，w取0.1～1m，h为反射罩深度，通过将放电电极安装在第一个焦点F1处，可将能量反射汇聚到第二个焦点F2处。第二个焦点F2的位置根据应用需求进行设定。

聚能反射罩加工数据的获取主要包括三个过程，其流程框图如图2所示。

步骤1：生成理想曲面型值表

根据最佳费效比的需求，采用增益函数法计算聚能增益对反射罩深度h的变化关系，得到焦距固定情况下，不同开口半径、不同深度反射面对聚焦效果的影响。这里的聚能增益，是指强声源产生的声脉冲波经反射罩聚能后在目标处形成的聚束波声压级与声源在该处的直达波声压级之差。最佳费效比是指在固定焦距条件下，给定放电能量（100～5000J）和聚能增益（4～40dB）的要求，设计的反射罩深度h在一定范围内最小，开口半径w在一定范围内最小；或者给定放电能量和反射罩深度h的要求，设计的反射罩开口半径w在一定范围内最小，聚能增益在一定范围内最大。具体步骤为：

步骤1.1：聚能增益F为

，其中h为反射罩深度，b为椭球面反射罩长轴，ε为椭球面反射罩的偏心率，即椭球体的半焦距c与椭球体的长轴b之比值：ε＝c/b，0＜ε＜1。当反射罩深度h和开口半径w增加时，聚能增益F会增加，但实际使用中，反射罩深度h和开口半径w不能无限增加。这里为了研究聚能增益与反射罩深度h的关系，将h的最大值取为椭球面反射罩长轴b的2倍，0≤h≤2b，b取0.15～16m。

保持椭球面反射罩半焦距c不变，求聚能增益F对反射罩深度h的二次偏导；将若干反射罩深度h代入聚能增益F对反射罩深度h的二次偏导，当增加深度h时，聚能增益F对深度h的二次偏导数增加，得到二次偏导数相对增加量小于0.1dB时对应的反射罩深度h为最佳费效比下的反射罩深度；

步骤1.2：由步骤1.1得到的为最佳费效比下的反射罩深度h，并根据椭球面反射罩的椭球面曲面方程得到椭球体的长轴b、短轴a以及反射罩的开口半径w，形成理想曲面型值表；

步骤2：获取修订曲面型值表

根据最佳反射效率的需求，利用有限元算法，对聚能反射罩进行瞬态动力学分析，以提高聚能反射罩的结构应力安全裕度和补偿反射罩在冲击载荷运行中的位移变形。这里反射效率指强声源产生的声脉冲波经聚能反射罩内表面反射后，反射声强与入射声强的比值，具体步骤为：

步骤2.1：考虑反射罩为一轴对称结构，忽略反射罩的螺栓孔、螺纹、倒角等因素，通过商业有限元软件ABAQUS6.5/Explicit中的CAX4R轴对称单元模型构造反射罩的有限元分析模型，如图3所示；

步骤2.2：利用KZK方程和线性声学方法反演反射面压力分布，得到反射罩内表面的入射波压力模型P1，即冲击波载荷模型P1，如图4所示；

步骤2.3：对步骤2.1建立的反射罩的有限元分析模型中的反射罩内表面加载入射波压力模型P1，选用ABAQUS中的显式积分（Explicit）计算方法，计算反射罩在冲击载荷作用下的响应，通过有限元软件优化反射罩结构并分析确定反射罩的额定工作载荷；

步骤2.4：根据步骤2.3确定的反射罩的额定工作载荷，调整步骤1得到的反射罩理想曲面型值表中对应点的坐标，使得反射罩在额定载荷作用下保持椭球型面，调整后的理想曲面型值表为修订曲面型值表；

步骤3：获取加工曲面型值表

根据最佳反射效率的需求，采用KZK近似波动方程来分析声场传播和叠加的非线性效应，获取加工曲面型值表。具体步骤为：

步骤3.1：由于声脉冲波向自由空间传播时，受到聚能反射罩的遮挡，会产生效果很明显的衍射效应；由于声脉冲波传递媒质具有热传导和粘滞性，因此声脉冲波的传播还需要考虑吸收衰减；由于反射罩内部靠近声源处，声脉冲幅度较大，其声压为100MPa以上，因此会产生非线性效应。所以需要进行相应分析：根据声脉冲波的脉冲幅值、声脉冲波传递媒质的热传导和粘滞性以及步骤2得到的反射罩修订曲面型值表，利用KZK近似波动方程对边缘波、中心波的传播特性和叠加特性进行分析，建立非线性反射、吸收、衍射声场分布模型，得到反射罩的声场分布；

步骤3.2：由于非线性的影响使得基波能量向高次谐波转移，而高次谐波分量由于吸收衰减向低频转移，所以采用时域方法求解反射罩的声场分布，以反射罩焦点处实测声脉冲波作为输入数据，利用KZK逆向法求解初始波形，将求得的初始波形代入KZK近似波动方程，计算不同反射罩尺寸下的聚束声场分布，形成非线性因素修订因子，利用非线性因素修订因子对修订曲面型值表进行修订，得到加工曲面型值表。根据得到的加工曲面型值表，对聚能反射罩进行加工。

本实施例中聚能反射罩的设计加工全过程为：首先选择反射罩的材料，需要试验几种不同材料的力学和声学性能，如不同成分和牌号的铝合金、不锈钢、钛合金等，测量得出适合水下强声脉冲源聚能反射罩材料的声阻，对比几种材料的反射性能和机械性能，综合评价出最优的材料。其次按照上述方法得到曲面加工数据。最后在加工过程中需要粗、精、细加工相结合，减小误差，采用抛光技术保证聚能反射罩内弧面的光洁度，得到具有最佳费效比和最佳反射效率特性的椭球面聚能反射罩。注意，在反射罩的底面或侧面钻孔攻丝引入放电电极时，需要和放电电极配做，以保证结构强度、加工精度和配合性能。

实施例2：

本实施例中的聚能反射罩结构如图7所示，其曲面方程可表示为：。通过将放电电极放在抛物面的焦点F处，可以反射聚束产生平行波。例如，口径w′=1米，凹深h′=0.5米的抛物面反射面，将放电电极放在F=0.25米处即可形成一个直径1米的声脉冲冲击束。同样采用实施例1中所采取的设计方法得到理想曲面型值表、修订曲面型值表以及加工曲面型值表，最终根据图6的具体实施流程加工得到具有最佳费效比和最佳反射效率特性的抛物面聚能反射罩。

Claims (1)

1.一种大功率聚能反射罩的设计方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：生成理想曲面型值表：

步骤1.1：取聚能增益F为

，其中h为反射罩深度，b为椭球面反射罩长轴，ε为椭球面反射罩的偏心率，0≤h≤2b；保持椭球面反射罩半焦距c不变，求聚能增益F对反射罩深度h的二次偏导；将若干反射罩深度h代入聚能增益F对反射罩深度h的二次偏导，得到二次偏导数相对增加量小于0.1dB时对应的反射罩深度h为最佳费效比下的反射罩深度；

步骤1.2：由步骤1.1得到的为最佳费效比下的反射罩深度h，并根据椭球面反射罩的椭球面曲面方程得到椭球体的长轴b、短轴a以及反射罩的开口半径w，形成理想曲面型值表；

步骤2：获取修订曲面型值表：

步骤2.1：采用有限元软件构造反射罩的有限元分析模型，并且忽略反射罩的螺栓孔、螺纹、倒角因素；

步骤2.2：利用KZK方程和线性声学方法反演反射面压力分布，得到反射罩内表面的入射波压力模型P1；

步骤2.3：对步骤2.1建立的反射罩的有限元分析模型中的反射罩内表面加载入射波压力模型P1，并计算反射罩在冲击载荷作用下的响应，通过有限元软件优化反射罩结构并分析确定反射罩的额定工作载荷；

步骤2.4：根据步骤2.3确定的反射罩的额定工作载荷，调整步骤1得到的反射罩理想曲面型值表中对应点的坐标，使得反射罩在额定载荷作用下保持椭球型面，调整后的理想曲面型值表为修订曲面型值表；

步骤3：获取加工曲面型值表：

步骤3.1：根据声脉冲波的脉冲幅值、声脉冲波传递媒质的热传导和粘滞性以及步骤2得到的反射罩修订曲面型值表，利用KZK近似波动方程建立非线性反射、吸收、衍射声场分布模型，得到反射罩的声场分布；

步骤3.2：采用时域方法求解反射罩的声场分布，以反射罩焦点处实测声脉冲波作为输入数据，利用KZK逆向法求解初始波形，将求得的初始波形代入KZK近似波动方程，计算不同反射罩尺寸下的聚束声场分布，形成非线性因素修订因子，利用非线性因素修订因子对修订曲面型值表进行修订，得到加工曲面型值表。

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