CN103594081A - 用于声聚束的复合抛物面的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于声聚束的复合抛物面的设计方法，其包括以下步骤：步骤一、反射曲面的参数设计；步骤二、声源布放位置设定，将声源布放于AC处，即构成的复合抛物面的底部，声源的布放位置是一个半径为

的圆面；步骤三、反射曲面的辐射声场计算，利用有限元和边界元的方法计算复合抛物面的辐射声场；步骤四、根据辐射声场的计算原理进行仿真研究，并根据仿真结果进行参数修正，完成优化设计。本发明对声音进行聚束，在一定范围内提高声源级，并使得声强在该区域内均匀分布，同时，避免了组阵而导致声源体积过于庞大，不便于使用的缺陷。

Description

用于声聚束的复合抛物面的设计方法

技术领域

本发明涉及水声技术领域，特别是涉及一种用于声聚束的复合抛物面的设计方法。

背景技术

由于声音是唯一能在水中远距离传播的有效介质，因此，水下声源是水下技术的必要设备。人们利用水声进行鱼群、水下文物、石油以及天然气等水下资源勘探，通过三维图像声纳实现水中物体的图像化。但当探测声音强度较弱时，容易受到水中的其他干扰，大大降低了检测概率，三维成像效果也较差，为了提高探测的准确率，使得图像更为清晰可见，一般通过提高声源的辐射功率达到该目的，常见的提高声源级的方法是增大功率放大器的放大倍数，但由于水下声源本身的物理结构特性，不能无限的增大功率放大器的放大倍数，因此，只能尽量选取与声源匹配的放大功率来使得声源辐射功率的最大化；另一种常见的方法是通过将多个声源进行组阵，利用阵列的方式来提高声源辐射功率，并使得成阵后的声源具有一定的指向性，为了提高声源级，需要的阵元数较多，阵元数增加，就提高了阵列的指向性，由于目标相对于宽广的水域显得微小，较强的指向性并不容易探测到目标，微小的偏差可能造成目标落到指向性波束的作用区域之外。

由于水声和空气声学具有一定程度的相似性，因此，许多空气声学的技术被引入水声技术中，所以，空气声学中的聚束技术具有一定的参考价值。

在空气声学中，一般采用号筒装置进行声聚束，由此可达到扬声的目的；空气声学中的号筒主要包括锥形、指数线形、双曲线形和抛物线形等形式；目前号筒式声反射在水下并无应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于声聚束的复合抛物面的设计方法，其对声音进行聚束，在一定范围内提高声源级，并使得声强在该区域内均匀分布，同时，避免了组阵而导致声源体积过于庞大，不便于使用的缺陷。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种用于声聚束的复合抛物面的设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一、反射曲面的参数设计，d₁为出射口口径，d₂为置放声源的口径，点A为抛物面BC的焦点，点C为抛物面AD的焦点，h为复合抛物面的高度，θ_max为一次反射的最大出射角；

反射曲面参数存在下列关系如下式：

复合抛物面的焦距为如下式：P=d₂(1+sinθ_max)；

复合抛物面的高度为如下式：

在平面坐标系中，复合抛物面在平面上投影对应的曲线方程为如下式：

${((x_0+\frac{d_2}{2}){\cos \mathrm{\θ}}_{\max }+y_0{\sin \mathrm{\θ}}_{\max })}^2=2P(y_0{\cos \mathrm{\θ}}_{\max }-(x_0+\frac{d_2}{2}){\sin \mathrm{\θ}}_{\max })$

步骤二、声源布放位置设定，将声源布放于AC处，即构成的复合抛物面的底部，声源的布放位置是一个半径为

的圆面；

步骤三、反射曲面的辐射声场计算，利用有限元和边界元的方法计算复合抛物面的辐射声场如下式：

$\mathrm{\Φ}={\mathrm{\Φ}}_z+\frac{A}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫\∫}\frac{1}{r_1}{e}^{{\mathrm{ikr}}_1}\frac{\∂}{{\∂r}_2}\left(\frac{e^{{\mathrm{ikr}}_2}}{r_2}\right)\frac{{\∂r}_2}{\∂n}+\frac{1}{r_2}{e}^{{\mathrm{ikr}}_2}\frac{\∂}{{\∂r}_1}\left(\frac{e^{{\mathrm{ikr}}_1}}{r_1}\right)\frac{{\∂r}_1}{\∂n}\mathrm{ds};$

步骤四、根据辐射声场的计算原理进行仿真研究，并根据仿真结果进行参数修正，完成优化设计。

优选地，所述复合抛物面等同于将一条抛物线在原坐标系下进行平移。

优选地，所述平移的步骤如下：横坐标向左平移d₂/2，为在新的坐标系下，将曲线旋转θ_max度，将其中靠近坐标轴的一段曲线围绕坐标轴进行旋转一周，由此获得复合抛物面。

优选地，所述步骤一首先需要确定d₂或d₁和θ_max，其次利用复合抛物面的焦距的公式和复合抛物面的高度的公式确定焦距及长度，由焦距可以获得P，由长度获得x₀或y₀的取值范围，已经完全获得了抛物线所需参数，将该抛物线绕对称轴旋转一周，即可获得所需的复合抛物面。

本发明的积极进步效果在于：本发明提高水下声源的辐射功率，在指定方向上具有较大的作用范围，以满足于水声技术的需求。本发明提高水声声源级，增强声源指向性。本发明主要通过复合抛物面的特性进行声聚束。

附图说明

图1为本发明复合抛物面声反射示意图。

图2为本发明复合抛物面结构示意图。

图3为本发明声源的布放位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明设计的复合抛物面具有抛物面的几何特性，即在焦点处发出的声波经过抛物面的反射后沿平行于抛物面中心轴的路径传播，复合抛物面可视为由两个具有一定倾角的抛物面构成，因此，其具有较大的辐射范围，由于互补的两个反射角的反射声波的叠加，空间声场更加均匀，强度更强。

本发明用于声聚束的复合抛物面的设计方法包括以下步骤：

步骤一、复合抛物面的参数设计

如图2所示，d₁为出射口口径，d₂为置放声源的口径，点A为抛物面BC的焦点，点C为抛物面AD的焦点，h为复合抛物面的高度，θ_max为一次反射的最大出射角。

随着h的增加，复合抛物面尺寸增加，且最大出射角也随之减小，会引起较多的二次反射，因此，可根据需要进行反射曲面的参数选取，反射曲面参数存在下列关系如下式（1）：

$\frac{d_1}{d_2}=\frac{1}{{\sin \mathrm{\θ}}_{\max }}...\left(1\right)$

复合抛物面的焦距为如下式（2）：

P=d₂(1+sinθ_max)……………………………………………（2）

复合抛物面的高度为如下式（3）：

$h=\frac{P{\cos \mathrm{\θ}}_{\max }}{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{\max }}...\left(3\right)$

在平面坐标系中，复合抛物面在平面上投影对应的曲线方程为如下式（4）：

${((x_0+\frac{d_2}{2}){\cos \mathrm{\θ}}_{\max }+y_0{\sin \mathrm{\θ}}_{\max })}^2=2P(y_0{\cos \mathrm{\θ}}_{\max }-(x_0+\frac{d_2}{2}){\sin \mathrm{\θ}}_{\max })...\left(4\right)$

如图3所示，复合抛物面等同于将一条抛物线A在原坐标系o₁下进行平移(点(x₀,y₀)为抛物线A上的任意一点，即抛物线A的方程为)，平移方法的步骤如下：横坐标向左（或向右）平移

在新的坐标系o₂下，将曲线旋转θ_max度，将其中靠近坐标轴的一段曲线围绕坐标轴进行旋转一周，由此获得复合抛物面。

首先需要确定d₂（或d₁）和θ_max，其次利用式(2)和式(3)确定焦距及高度，由焦距可以获得P，由长度获得y₀（y₀为抛物面上的任意一点的y坐标）的取值范围

至此，已经完全获得了抛物线所需参数，将该抛物线绕对称轴旋转一周，即可获得所需的复合抛物面。

步骤二、声源布放位置设定

将声源布放于AC处（图2所示），即构成的复合抛物面的底部，由图3可知，声源的布放位置是一个半径为

的圆面．因此，声源的最大尺寸为半径为

的圆面；小尺寸的声源也可被使用，靠近该圆面的边缘，则越接近抛物线的焦点，则可以改变辐射方向（如图3所示），即当声源在圆面内对称时，辐射声源级增加，辐射方向为复合抛物面的轴向，当声源在圆面内不对称时，则辐射方向具有一定的角度，理想情况下，该角度为θ_max。

步骤三、反射曲面的辐射声场计算

利用有限元和边界元的方法计算复合抛物面的辐射声场如下式（5）：

$\mathrm{\Φ}={\mathrm{\Φ}}_z+\frac{A}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫\∫}\frac{1}{r_1}{e}^{{\mathrm{ikr}}_1}\frac{\∂}{{\∂r}_2}\left(\frac{e^{{\mathrm{ikr}}_2}}{r_2}\right)\frac{{\∂r}_2}{\∂n}+\frac{1}{r_2}{e}^{{\mathrm{ikr}}_2}\frac{\∂}{{\∂r}_1}\left(\frac{e^{{\mathrm{ikr}}_1}}{r_1}\right)\frac{{\∂r}_1}{\∂n}\mathrm{ds}...\left(5\right)$

步骤四、根据辐射声场的计算原理进行仿真研究，并根据仿真结果进行参数修正，完成优化设计。

根据所选参数h确定一个关于y轴对称的抛物线x²=2Py；将该抛物线向右（或左）移动

此时抛物线的焦点为

将该抛物线以焦点为中心顺时针（或逆时针）旋转θ_max，使得点

落在抛物线上；选取曲线上的部分，将其围绕y轴旋转一周，由此获得复合抛物曲面；将声源布放于半径为

的平面内；利用有限元仿真软件sysnoise和声学仿真软件Virtual lab进行复合抛物面建模，并仿真其在不同条件的辐射声场。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于声聚束的复合抛物面的设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一、反射曲面的参数设计，d₁为出射口口径，d₂为置放声源的口径，点A为抛物面BC的焦点，点C为抛物面AD的焦点，h为复合抛物面的高度，θ_max为一次反射的最大出射角；

反射曲面参数存在下列关系如下式：

复合抛物面的焦距为如下式：P=d₂(1+sinθ_max)；

复合抛物面的高度为如下式：

在平面坐标系中，复合抛物面在平面上投影对应的曲线方程为如下式：

${((x_0+\frac{d_2}{2}){\cos \mathrm{\θ}}_{\max }+y_0{\sin \mathrm{\θ}}_{\max })}^2=2P(y_0{\cos \mathrm{\θ}}_{\max }-(x_0+\frac{d_2}{2}){\sin \mathrm{\θ}}_{\max })$

步骤二、声源布放位置设定，将声源布放于AC处，即构成的复合抛物面的底部，声源的布放位置是一个半径为

的圆面；

步骤三、反射曲面的辐射声场计算，利用有限元和边界元的方法计算复合抛物面的辐射声场如下式：

$\mathrm{\Φ}={\mathrm{\Φ}}_z+\frac{A}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫\∫}\frac{1}{r_1}{e}^{{\mathrm{ikr}}_1}\frac{\∂}{{\∂r}_2}\left(\frac{e^{{\mathrm{ikr}}_2}}{r_2}\right)\frac{{\∂r}_2}{\∂n}+\frac{1}{r_2}{e}^{{\mathrm{ikr}}_2}\frac{\∂}{{\∂r}_1}\left(\frac{e^{{\mathrm{ikr}}_1}}{r_1}\right)\frac{{\∂r}_1}{\∂n}\mathrm{ds};$

步骤四、根据辐射声场的计算原理进行仿真研究，并根据仿真结果进行参数修正，完成优化设计。

2.如权利要求1所述的用于声聚束的复合抛物面的设计方法，其特征在于，所述复合抛物面等同于将一条抛物线在原坐标系下进行平移。

3.如权利要求2所述的用于声聚束的复合抛物面的设计方法，其特征在于，所述平移的步骤如下：横坐标向左平移d₂/2，为在新的坐标系下，将曲线旋转θ_max度，将其中靠近坐标轴的一段曲线围绕坐标轴进行旋转一周，由此获得复合抛物面。

4.如权利要求3所述的用于声聚束的复合抛物面的设计方法，其特征在于，所述步骤一首先需要确定d₂或d₁和θ_max，其次利用复合抛物面的焦距的公式和复合抛物面的高度的公式确定焦距及长度，由焦距可以获得P，由长度获得x₀或y₀的取值范围，已经完全获得了抛物线所需参数，将该抛物线绕对称轴旋转一周，即可获得所需的复合抛物面。

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