CN108009376B - 基于内嵌信号调节板阵列舷侧阵宽频信号增强及吸声方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于内嵌信号调节板阵列的舷侧阵宽频信号增强及吸声方法，包括建立内嵌信号调节板阵列的舷侧阵声呐基阵结构模型，获取相关参数；求解该复合结构在平面声波激励下的各层位移与应力振幅系数向量；计算水听器各单元处的信号增益及结构表面吸声系数；确定水听器单元最佳布放位置。通过在舷侧阵去耦覆盖层及透声覆盖层之间嵌入周期排列的信号调节板阵列，利用各信号调节板单元、阵列与不同性质覆盖层子结构的共振耦合及汇聚作用克服了低频水声信号衰减及低频宽带声吸收差的问题，可实现超宽频率范围内(0–21.3KHz)水听器单元接收信号的显著增强，同时能在多个宽频范围内增加吸声性能从而降低主动声呐的探测距离。

Description

基于内嵌信号调节板阵列舷侧阵宽频信号增强及吸声方法

技术领域

本发明属于结构声与水声交叉技术领域，具体涉及舷侧阵声呐的信号增强和吸声性能的综合设计方法，可从综合考虑宽频信号增强和吸声性能的角度指导舷侧阵结构方案的设计。

背景技术

反潜作战作为当今世界海军公认的最大难题，亟需解决的主要技术问题是探测安静性日益提高的潜艇。随着消声瓦等技术的成熟和运用，潜艇的辐射噪声大大降低，而低频范围内目标舰艇的辐射噪声较大且难以被消声瓦等技术所控制，另一方面，鉴于潜艇对中高频信号的反射回波很小，因此低频声呐成为探测声呐的发展方向。舷侧阵声呐作为近年来大力发展的一种低频声呐，安装于水下航行器两舷侧，在远程范围内具备高探测灵敏性，且具有孔径大、兼顾测向和测距等优点，已成为衡量潜艇先进性的重要指标。

增强舷侧阵声呐水听器拾取信号的方法有基于声压水听器的信号拾取及增强、基于矢量水听器的信号增强以及阵列信号处理的方法。声压水听器法将信号调节板(SCP)大面积或完全敷设在去耦覆盖层表面来增强水听器拾取的声压信号。该方式对SCP厚度要求较高，故使得舷侧阵整阵重量大大增加，且阵元增益局限在6分贝且低频增益衰减较大。矢量水听器法依靠直接拾取柔性障板表面较大的振速(或加速度)矢量信号来增强水听器阵增益，虽省去了刚性信号调节板的引入，但仍存在阵元增益有限且低频信号衰减问题。此外，增加水听器阵信噪比还可借助阵列信号处理的方法，然而舷侧阵信号处理涉及强平台噪声下的远场弱信号检测，由于平台噪声产生机理和传播信道的复杂性，使得其信号检测性能有限。

另一方面，吸声系数是表征水下结构声目标强度的物理量。为保证潜艇的作战性能，在满足其声探测的同时，必须满足最基本的声目标强度或吸声性能的要求。所以，舷侧阵结构设计的核心问题之一就是如何兼顾其信号增强和吸声性能。关于增强水下结构的吸声性能国内外已经发展了大量的方法，包括采用多层覆盖层结构和覆盖层中嵌入无规或周期性填充物，如空腔、金属球及多孔性包含物及声子晶体，其吸声机理可归因为多重散射、波形变换和谐振吸收等。这些方法主要对高频或低频窄带起作用，由于水下声波在低频范围的波长远大于同频率空气声的波长，水下低频宽带范围的声吸收仍是难题。至今还没有一种理想的方法，可在增强超宽频水声信号的基础上同时兼顾低频宽带吸声性能。若能有效降低水听器阵的低频信号衰减、实现宽频水声信号增强且兼顾其宽频吸声性能，同时减轻整阵重量，则可大大增加舷侧阵声呐的探测灵敏性及隐身性能，从而提高其作战性能。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术的不足，本发明目的在于提供一种基于内嵌信号调节板阵列来增强舷侧阵信号增强及吸声方法，从综合考虑增强信号和减低目标强度的角度来指导舷侧阵结构的设计。该方法能够实现超宽频水声信号增益显著增强以大幅改善舷侧振声呐的探测性能，并能增加结构表面声吸收以兼顾隐身性能。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明的基于内嵌信号调节板阵列的舷侧阵宽频信号增强及吸声方法，包括如下步骤：

(1)建立内嵌信号调节板阵列的舷侧阵声呐基阵结构模型，获取声激励的振幅、频率及入射角参数，确立入射声压在x-z平面的空间分布；获取复合结构的几何材料参数，并得到对应复纵波波速、复剪切波速、弯曲刚度和吻合频率；

(2)求解该复合结构在平面声波激励下的各层位移与应力振幅系数向量；

运用各层之间应力平衡与位移连续性，并根据周期性结构的简谐波展开法及各简谐波的正交性，得到平面声压入射下的复合结构耦合方程的矩阵形式；利用矩阵求逆求解，可得各层位移与应力的振幅系数向量；

(3)计算水听器各单元处的信号增益及结构表面吸声系数

计算水听器各单元处的法向应力分布，从而可得水听器各单元信号增益；计算结构表面的总声压和法向质点振速，可得结构表面入射声能及吸收声能，从而可得结构表面吸声系数；

(4)确定水听器单元最佳布放位置

绘制信号增益关于空间坐标的高度图，确定最大信号增益的空间坐标，即对应水听器单元的最佳布放位置。

优选的，所述步骤(1)中，结构模型从内到外依次为空气层、艇板、去耦覆盖层、周期信号调节板阵列、水听器阵列及透声覆盖层；

选取坐标x轴为去耦覆盖层与透声覆盖层分界线，由于信号调节板采用薄板结构，其厚度影响在较低频范围可忽略，选取坐标原点在第0个信号调节板的左端点与去耦覆盖层的交点，故第0个信号调节板左右两边分别有N个信号调节板。

优选的，所述步骤(1)中，根据水中入射平面波声激励的振幅P_i、频率f、传播声速c_o，入射角度θ_i，可确立入射声压在x–z平面的空间分布

其中，j为虚数单位；k_o＝2πf/c_o。

优选的，所述步骤(1)中，确立复合结构的去耦覆盖层、透声覆盖层的几何材料参数，包括密度ρ、厚度h、纵波波速c_d0、剪切波速c_s0及对应的纵波损耗因子η_d和剪切波损耗因子η_s，则对应复纵波波速为

复剪切波速为

其中，j为虚数单位；

确定复合结构的艇板、信号调节板的几何材料参数包括密度ρ、杨氏模量E、泊松比υ及厚度h；则弯曲刚度为D＝Eh³/12(1-υ²)，吻合频率为

c_o为水中传播声速；设信号调节板长度为L，两两间距为d，则空间周期为l＝L+d，信号调节板单元个数为2N+1。

优选的，所述步骤(2)中，求解该复合结构在入射平面声波下的各层位移与应力的系数向量，包括下述步骤：

2a)运用现有的各均匀层分界面即空气层与艇板、艇板与去耦覆盖层、透声覆盖层与水分界面的应力平衡与位移连续性，并运用非均匀层分界面即去耦覆盖层与透声覆盖层分界面z＝0法向及剪切位移连续，分别得该界面法向及剪切位移连续方程；

2b)并运用去耦覆盖层与透声覆盖层分界面z＝0法向及剪切应力平衡可得该界面法向及剪切应力平衡方程；

2c)根据周期性结构的简谐波展开法，将法向及剪切位移和法向及剪切应力展开；

2d)将法向及剪切位移和法向及剪切应力展开式及ΔH_n(x)的傅里叶级数展开式代入各界面法向及剪切位移连续方程及法向及剪切应力平衡方程，并利用简谐波的正交性得到平面声压入射下的复合结构耦合方程的矩阵形式；

2e)利用矩阵求逆法求解方程即可得各层中位移与应力振幅的系数向量。

优选的，所述步骤(3)中，计算水听器各单元处的信号增益及结构表面吸声系数，包括下述步骤：

3a)将求得的应力与位移振幅系数向量值代入应力展开式，可得透声覆盖层中水听器单元所在深度h_A的法向应力

3b)将

代入计算信号增益SR公式；

3c)根据透声覆盖层深度h_A的法向应力

可得其上表面深度为h_c2的总声压；

3d)将求得的应力与位移振幅系数向量值代入法向及剪切位移式，可得透声覆盖层上表面的法向质点振速；

3e)根据所得的结构表面的总声压和法向质点振速，可得结构表面入射和吸收的能量；

据此确定出结构表面吸声系数为α_SCPs＝Π_ab/Π_in。

优选的，所述步骤(4)中，确定水听器单元的最佳布放位置见如下步骤：

4a)用MATLAB绘制信号增益关于空间坐标x的高度图；

4b)根据高度图z坐标的高低，判定最大信号增益位置，z坐标越高，信号增益越大；

4c)最大信号增益对应的x坐标即为水听器单元的最佳布放位置。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.针对舷侧阵存在的低频信号衰减及低频宽带声吸收差，本发明利用周期性复合结构的共振耦合及汇聚原理，将现有信号调节板分解优化为周期排列的信号调节板单元，利用各信号调节板单元、阵列与不同性质覆盖层子结构的有效耦合及汇聚作用克服了低频水声信号衰减及低频宽带声吸收差的问题。

2.在进行结构设计时，同时考虑水下信号增强及吸声性能，可同时实现0-21.3kHz超宽频水声信号显著增强及多个宽频范围的声吸收显著改善。本方法可从综合考虑宽频信号增强和吸声性能的角度指导舷侧阵结构方案的设计。

3.本发明在提高水声性能的同时减轻了结构重量。

附图说明

图1为本发明结构参数与坐标图；

图2为水声信号增益曲线(x为距离SCP左端点的距离)；

图3为结构表面法向吸声系数频响曲线；

图4为结构表面吸声系数频响曲线随入射角变化的规律；

图5为5Ω＝0.05时信号增益在一个整周期内的空间分布，其中x′为距离SCP中心的距离。

图1中：1、空气层，2、艇板，3、去耦覆盖层，4、信号调节板阵列，5、水听器线阵，6、透声覆盖层，7、海水。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

参照图1，本发明基于内嵌信号调节板阵列的舷侧阵宽频信号增强及吸声方法，具体步骤如下：

步骤一：建立内嵌信号调节板阵列的舷侧阵声呐基阵结构模型，获取声激励的参数及该复合结构的几何材料参数

1.1)建立内嵌信号调节板阵列的舷侧阵声呐基阵结构模型，从内到外依次为空气层1、艇板2、去耦覆盖层3、周期信号调节板阵列4、水听器阵列5及透声覆盖层6；其中，艇板2上下表面分别与去耦覆盖层3和艇内空气层1接触，去耦覆盖层3胶接在艇板2表面，去耦覆盖层3上表面粘贴有透声覆盖层6，两层覆盖层之间粘贴有周期性分布的信号调节板阵列4，水听器线阵5内嵌于透声覆盖层6内、信号调节板阵列4附近。透声覆盖层6外表面与海水7相连，如图1所示。在入声声波透声至其表面时，利用周期信号调节板阵列4与两层性质迥异覆盖层的共振耦合及汇聚作用放大黏贴其上的水听器阵列5的增益；

1.2)根据水中入射平面波声激励的振幅为P_i、频率f、传播声速c_o，入射角度θ_i，可确立入射声压在x-z平面的空间分布

其中，j为虚数单位；k_o＝2πf/c_o；

1.3)确立去耦覆盖层的几何材料参数，采用阻抗较小的软橡胶材料，其动力学采用弹性理论模拟。其密度、厚度、纵波波速、剪切波速及对应的纵波损耗因子和剪切波损耗因子分别为ρ₁、h₁、c_d01、c_s01、η_d和η_s，则可得其对应复纵波波速和复剪切波速分别为

和

c_d01为去耦覆盖层纵波波速；c_s01为去耦覆盖层剪切波速；

1.4)确立透声覆盖层的几何材料参数。透声覆盖层采用阻抗与水接近的透声橡胶层，其密度、厚度、纵波波速、剪切波速及对应的纵波损耗因子和剪切波损耗因子分别为ρ₃、h₃、c_d03、c_s03、η_d3和η_s3，则可得对应复纵波波速和复剪切波速分别为

和

c_d03为透声覆盖层纵波波速；c_s03为透声覆盖层剪切波速；

1.5)确定艇板的几何材料参数。艇板板采用钢板结构，其密度、杨氏模量、泊松比及厚度分别为ρ、E、υ及h。弯曲刚度D＝Eh³/12(1-υ²)；其吻合频率为

1.6)确定信号调节板SCP的几何物理参数。SCP采用薄钢板,其密度、杨氏模量、泊松比及厚度分别为ρ、E、υ及h。弯曲刚度D＝Eh³/12(1-υ²)。设SCP长度为L，两两间距为d，则空间周期为l＝L+d。SCP单元个数为2N+1，则第n个SCP对应的位置函数可用ΔH_n(x)＝H(x-nl)-H(x-L-nl)表征，其中H(x)是Heaviside函数，n＝–(2N+1)…–2,–1,0,1,2…2N+1；

1.7)坐标x轴选取在去耦覆盖层与透声覆盖层分界线，由于SCP采用薄板结构，其厚度影响在较低频范围可忽略，选取坐标原点在第0个SCP的左端点与去耦覆盖层的交点，故第0个SCP左右两边分别有N个SCP。

步骤二：求解该复合结构在平面声波入射下的各层位移与应力振幅系数向量

2.1)运用现有的各均匀层分界面应力平衡与位移连续性，包括：

运用空气与艇板分界面z＝-(h_c1+h)的位移连续可得位移连续方程：

其中，w_h(x)和p_t(x,z)分别为艇板的弯曲位移及空气中的透射声压；ω＝2πf；

运用艇板与去耦覆盖层分界面z＝-h_c1的法向与剪切位移连续可得该界面位移连续方程：

其中，

及

分别为去耦覆盖层的法向及剪切位移；u_h(x)为艇板x方向的纵向位移；

运用艇板与去耦覆盖层分界面z方向剪力平衡与弯矩为0可得该界面应力平衡方程：

其中，

分别为去耦覆盖层法向及剪切应力；

运用透声覆盖层与水分界面z＝h_c2法向及剪切应力平衡分别可得该界面应力平衡方程：

其中，

为透声覆盖层法向及剪切应力；p_T(x,z)为水中总声压；

运用透声覆盖层与水分界面z＝h_c2法向位移连续可得该界面位移连续方程：

其中，

为透声覆盖层法向位移；

并运用非均匀层分界面即去耦覆盖层与透声覆盖层分界面z＝0法向及剪切位移连续分别得该界面法向及剪切位移连续方程：

其中，

和

分别为去耦覆盖层和透声覆盖层法向位移；

和

分别为去耦覆盖层和透声覆盖层的剪切位移；ΔH_n(x)＝H(x-nl)-H(x-L-nl)，H(x)是Heaviside函数，n＝–(2N+1)…–2,–1,0,1,2…2N+1，l为空间周期；

2.2)并运用非均匀层分界面即去耦覆盖层与透声覆盖层分界面z＝0法向及剪切应力平衡可得该界面法向及剪切应力平衡方程：

其中，

分别为去耦覆盖层法向及剪切应力，

分别为透声覆盖层法向及剪切应力；ω＝2πf，h₂、m₂、D₂分别为信号调节板的厚度、单位长度的质量及弯曲刚度；

2.3)根据周期性结构的简谐波展开法，将法向及剪切位移和法向及剪切应力展开为：

其中i＝1,2分别代表去耦覆盖层和透声覆盖层；k_m＝k_o sinθ_i+2πm/l；m为简谐波阶数，k_o为水中声波数；

分别为法向和剪切位移及法向及剪切应力的振幅；

2.4)将法向及剪切位移和法向及剪切应力展开式(13)–(16)及ΔH_n(x)的傅里叶级数展开式

c_n＝L/le^jnπL/lsin c(nπL/l)代入各界面法向及剪切位移连续方程及法向及剪切应力平衡方程中，并利用简谐波的正交性得到平面声压入射下的复合结构耦合方程的矩阵形式；

其中，

为耦合方程系数矩阵；

为激励向量：

为应力和位移振幅系数向量；

为信号调节板阵列与复合结构其它子结构的耦合矩阵；

2.5)利用矩阵求逆法求解方程(17)可得

即可得各层中位移与应力振幅的系数向量。

步骤三，计算水听器各单元处信号增益及结构表面吸声系数

3.1)将求得的应力与位移振幅系数向量的值代入式(15)，可计算得透声覆盖层中水听器所在深度h_A的法向应力

3.2)水听器单元信号增益SR通过下式计算：

3.3)根据透声覆盖层深度h_A的法向应力

可得其上表面深度为h_c2的总声压

为透声覆盖层上表面的法向应力；

3.4)将求得的应力与位移振幅系数向量值代入式(13)，可得透声覆盖层上表面的法向质点振速

为透声覆盖层上表面的法向位移；

3.5)根据所得的结构表面的总声压和法向质点振速，可得结构表面入射和吸收的能量分别为：

其中

为

的复共轭；ρ_o为水的密度；

将Π_in和Π_ab代入结构表面吸声系数计算公式：

α_SCPs＝Π_ab/Π_in (21)

其中θ_i＝90°对应的α_SCPs为法向吸声系数，否则为斜向吸声系数。

步骤四，确定水听器单元最佳布放位置

4.1)用MATLAB绘制信号增益关于空间坐标x的高度图；

4.2)根据高度图z坐标的高低，判定最大信号增益位置，z坐标越高，信号增益越大；

4.3)最大信号增益对应的x坐标即为水听器单元的最佳布放位置。

本发明优点可通过以下仿真实验进一步说明：

1.确立声激励的参数及所述复合结构的几何材料参数

(1)本实验以振幅为1个单位强度的平面简谐声波垂直入射为例即P_i＝1 P_a，θ_i＝90°。所述艇板及信号调节板采用金属钢板、去耦覆盖层采用多孔软橡胶，透声覆盖层采用透声橡胶。其中多孔橡胶密度ρ₁＝500kg/m³，纵波波速

剪切波速为

透声橡胶密度ρ₁＝990kg/m³，纵波波速为

剪切波速为

各子结构几何性质分别为：艇板厚度h及去耦覆盖层厚度hc₁均为0.01m，透声覆盖层厚度hc₂＝0.02m，信号调节板SCP单元厚度h₂＝0.0075m，宽0.1m。

取SCP单元宽度L为0.1m，单元间距d也为0.1m，考虑从213Hz(0.01f_c)到基板吻合频率21304Hz(f_c)下的宽频响应，频率分辨率为0.01f_c。其中入射声信号的性质和内嵌SCP阵列的几何和结构参数如表1所示。

表1本发明的激励参数和结构参数

2.求解该复合结构在平面声波入射下的各层位移与应力振幅系数向量

将各结构及工作参数代入平面声压激励下复合结构的耦合方程(17)，利用矩阵求逆法即可得各层应力与位移振幅系数向量。

3.计算水听器各单元处的信号增益

(1)将所得应力与位移振幅系数向量代入式(15)可得透声覆盖层中水听器所在深度h_A法向应力

(2)将得到的法向应力代入式(18)，可计算得水听器单元信号增益SR。如图2所示，其中细虚线代表无信号调节板(SCP)阵列时本发明结构的信号增益随归一化频率的变化曲线，其他线条为有SCPs不同空间位置的增益曲线。从图2可以看出，对应所给SCP阵列的参数及各空间位置，该舷侧阵结构的信号增益在超宽频范围内(0.05f_c–f_c)均有所提高。尤其在每个SCP两个端点附近，如图2中粗点线所示，信号增益在超宽频范围0.05f_c–f_c平均增加了20分贝以上。其中在Ω＝0.05，0.17，0.29等附近增益增幅超过40分贝。

4.计算结构表面吸声系数

(1)根据透声覆盖层深度h_A的法向应力值

可得其上表面深度为h_c2的总声压值

(2)将求得的应力与位移振幅系数向量值代入式(13)，可得透声覆盖层上表面的法向质点振速

(3)将所得结构表面的总声压和法向质点振速值代入式(19)和式(20)，可得结构表面入射和吸收的能量Π_in和Π_ab；进而根据式(21)可得结构表面吸声系数。

据此计算所得垂直入射时结构表面法向吸声系数α_SCPs如图3所示。其中实线表示无SCP阵列的吸声系数，虚线表示内嵌了周期性SCP阵列的吸声系数。从图3可以看出，覆盖层之间无内嵌SCP阵列时吸声系数存在三个峰值，分别对应频率Ω＝0.028,0.35和0.71；引入内嵌SCP阵列后，除了以上三个峰值频率，吸声系数在所取整个频带范围内有所增加，尤其在Ω＝0.05,0.16,0.29,0.53及0.87附近增加超过20％，在Ω＝0.29附近增加超过50％。

改变入射方向，可得不同入射角θ_i下的斜吸声系数，如图4所示。从图4可以看出，只要入射角≤60°，斜入射条件下的吸声系数比垂直入射下的吸声系数在中高频(f/f_c≥0.35)有显著增加。

5.确定水听器单元最佳布放位置

为确定水听器单元的最佳布放位置，以Ω＝0.05为例，用MATLAB绘制信号增益关于空间坐标x的高度图，如图5所示。在图5中，高度图z坐标的高低对应信号增益幅值的大小，z坐标越高，对应信号增益越大。对所选频率，最大信号增益出现在距离SCP的两个端点x＝±2x10^-4m处，即为水听器单元最佳布放位置。

以上仿真实验可以看出，本发明提出的基于内嵌信号调节板阵列的舷侧阵超宽频信号增强及吸声方法，利用各信号调节板单元、阵列与不同性质覆盖层子结构的有效耦合及汇聚作用，可以同时实现低频及宽频范围内信号增益及吸声性能显著增加。同时，在工程实践中，可运用本发明的方法，确定该复合结构的结构参数尤其是信号调节板阵列的几何材料参数，从综合考虑信号增益及吸声性能的角度指导舷侧阵声呐结构方案的设计。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.基于内嵌信号调节板阵列舷侧阵宽频信号增强及吸声方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立内嵌信号调节板阵列的舷侧阵声呐基阵结构模型，包括从内到外依次为空气层(1)、艇板(2)、去耦覆盖层(3)、周期信号调节板阵列(4)、水听器阵列(5)及透声覆盖层(6)；其中，艇板(2)上下表面分别与去耦覆盖层(3)和艇内空气层(1)接触，去耦覆盖层(3)胶接在艇板(2)表面，去耦覆盖层(3)上表面粘贴有透声覆盖层(6)，两层覆盖层之间粘贴有周期性分布的信号调节板阵列(4)，水听器线阵(5)内嵌于透声覆盖层(6)内、信号调节板阵列(4)附近；

获取声激励的振幅、频率及入射角参数，确立入射声压在x-z平面的空间分布；获取舷侧阵声呐基阵结构模型的复合结构的几何材料参数，并得到对应复纵波波速、复剪切波速、弯曲刚度和吻合频率；

(2)求解该复合结构在平面声波激励下的各层位移与应力振幅系数向量

运用各层之间应力平衡与位移连续性，并根据周期性结构的简谐波展开法及各简谐波的正交性，得到平面声压入射下的复合结构耦合方程的矩阵形式；利用矩阵求逆求解，可得各层位移与应力的振幅系数向量；

(3)计算水听器各单元处的信号增益及结构表面吸声系数

计算水听器各单元处的法向应力分布，从而可得水听器各单元信号增益；计算结构表面的总声压和法向质点振速，可得结构表面入射声能及吸收声能，从而可得结构表面吸声系数；

(4)确定水听器单元最佳布放位置

绘制信号增益关于空间坐标的高度图，确定最大信号增益的空间坐标，即对应水听器单元的最佳布放位置。

2.根据权利要求1所述的基于内嵌信号调节板阵列舷侧阵宽频信号增强及吸声方法，其特征在于，所述步骤(1)中，结构模型从内到外依次为空气层、艇板、去耦覆盖层、周期信号调节板阵列、水听器阵列及透声覆盖层；

选取坐标x轴为去耦覆盖层与透声覆盖层分界线，由于信号调节板采用薄板结构，其厚度影响在较低频范围可忽略，选取坐标原点在第0个信号调节板的左端点与去耦覆盖层的交点，故第0个信号调节板左右两边分别有N个信号调节板。

3.根据权利要求1所述的基于内嵌信号调节板阵列舷侧阵宽频信号增强及吸声方法，其特征在于，所述步骤(1)中，根据水中入射平面波声激励的振幅P_i、频率f、传播声速c_o、入射角度θ_i，可确立入射声压在x-z平面的空间分布

其中，j为虚数单位；k_o＝2πf/c_o。

4.根据权利要求1所述的基于内嵌信号调节板阵列舷侧阵宽频信号增强及吸声方法，其特征在于，所述步骤(1)中，确立复合结构的去耦覆盖层、透声覆盖层的几何材料参数，包括密度ρ、厚度h、纵波波速c_d0、剪切波速c_s0及对应的纵波损耗因子η_d和剪切波损耗因子η_s，则对应复纵波波速为

复剪切波速为

其中，j为虚数单位；

确定复合结构的艇板、信号调节板的几何材料参数包括密度ρ、杨氏模量E、泊松比υ及厚度h；则弯曲刚度为D＝Eh³/12(1-υ²)，吻合频率为

c_o为水中传播声速；设信号调节板长度为L，两两间距为d，则空间周期为l＝L+d，信号调节板单元个数为2N+1。

5.根据权利要求4所述的基于内嵌信号调节板阵列舷侧阵宽频信号增强及吸声方法，其特征在于，所述步骤(2)中，求解该复合结构在入射平面声波下的各层位移与应力的系数向量，包括下述步骤：

2a)运用现有的各均匀层分界面即空气层与艇板、艇板与去耦覆盖层、透声覆盖层与水分界面的应力平衡与位移连续性，并运用非均匀层分界面即去耦覆盖层与透声覆盖层分界面z＝0法向及剪切位移连续，分别得该界面法向及剪切位移连续方程：

其中，

和

分别为去耦覆盖层和透声覆盖层的法向位移；

和

分别为去耦覆盖层和透声覆盖层的剪切位移；ΔH_n(x)＝H(x-nl)-H(x-L-nl)，H(x)是Heaviside函数，n＝–(2N+1)…–2,–1,0,1,2…2N+1，l为空间周期；

2b)并运用去耦覆盖层与透声覆盖层分界面z＝0法向及剪切应力平衡可得该界面法向及剪切应力平衡方程：

其中，

分别为去耦覆盖层法向及剪切应力，

分别为透声覆盖层法向及剪切应力；ω＝2πf，h₂、m₂、D₂分别为信号调节板厚度、单位长度的质量及弯曲刚度；

2c)根据周期性结构的简谐波展开法，将法向及剪切位移和法向及剪切应力展开为：

其中i＝1,2分别代表去耦覆盖层和透声覆盖层；k_m＝k_o sinθ_i+2πm/l，m为简谐波阶数，k_o为水中声波数；

及

分别为法向和剪切位移、法向和剪切应力的振幅；

2d)将法向及剪切位移和法向及剪切应力展开式(5)–(8)及ΔH_n(x)的傅里叶级数展开式

c_n＝L/le^jnπL/lsinc(nπL/l)代入各界面法向及剪切位移连续方程(1)、(2)及法向及剪切应力平衡方程(3)、(4)中，并利用简谐波的正交性得到平面声压入射下的复合结构耦合方程的矩阵形式；

其中，

为耦合方程系数矩阵；

为激励向量；

为式(5)-(8)中各应力和位移振幅的系数向量；

为信号调节板阵列与复合结构子结构的耦合矩阵；

2e)利用矩阵求逆法求解方程(9)即可得各层中位移与应力振幅的系数向量为：

6.根据权利要求5所述的基于内嵌信号调节板阵列舷侧阵宽频信号增强及吸声方法，其特征在于，所述步骤(3)中，计算水听器各单元处的信号增益及结构表面吸声系数，包括下述步骤：

3a)将求得的应力与位移振幅系数向量值代入应力展开式(7)，可得透声覆盖层中水听器单元所在深度h_A的法向应力

3b)将

代入计算信号增益SR公式：

3c)根据透声覆盖层深度h_A的法向应力

可得其上表面深度为h_c2的总声压

为透声覆盖层上表面的法向应力；

3d)将求得的应力与位移振幅系数向量值代入式(5)，可得透声覆盖层上表面的法向质点振速

其中ω＝2πf，

为透声覆盖层上表面的法向位移；j为虚数单位；

3e)根据所得的结构表面的总声压和法向质点振速，可得结构表面入射和吸收的能量：

和

其中，

为

的复共轭；ρ_o为水的密度；

据此确定出结构表面吸声系数为

α_SCPs＝Π_ab/Π_in (12)

其中，θ_i＝90°对应的α_SCPs为法向吸声系数，否则为斜向吸声系数。

7.根据权利要求1所述的基于内嵌信号调节板阵列舷侧阵宽频信号增强及吸声方法，其特征在于，所述步骤(4)中，确定水听器单元的最佳布放位置通过如下步骤实现：

4a)用MATLAB绘制信号增益关于空间坐标x的高度图；

4b)根据高度图z坐标的高低，判定最大信号增益位置，z坐标越高，信号增益越大；

4c)最大信号增益对应的x坐标即为水听器单元的最佳布放位置。

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