CN118098191A - 一种用于增强水下声散射特性的角反射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于增强水下声散射特性的角反射装置，该角反射装置包括3个水下角反射器，每个水下角反射器包括第一金属板、第二金属板、以及位于第一金属板和第二金属板之间的密闭腔体；第一金属板和第二金属板的厚度为2mm，密闭腔体的厚度为10mm，对密闭腔体进行抽气，至内部达到或接近真空状态；与现有技术中的刚性条件下单层钢质三面角反射器相比，本发明的角反射装置目标强度值在全入射角范围内的散射宽度更为优异，声散射特性改善效果好；在相同反射面积下，具有密闭腔体的角反射装置散射强度大，无明显的频率特性，去耦作用明显，目标回波强度值可增大2dB，并具有更优异的散射稳定性，整体质量减小约20kg，具有较强的工程实用性。
Description
技术领域
本发明属于声学技术领域，具体涉及一种用于增强水下声散射特性的角反射装置。
背景技术
常规水下角反射器通常由多个反射面组成，例如图1，常规水下角反射器由反射面1和反射面2对接形成的。反射面材料一般为单层金属薄板，如金属如钢、铜等，声阻抗特性与水特性不相配，声阻抗特性优异，但金属薄板的透声性较好，声反射性能较差，在水下的回波目标强度较低，并且具有很明显的弹性特征。为满足目标回波强度，反射面需要较大面积与厚度，使得角反射器质量与体积较大，若金属角反射器反射面积与厚度受到限制，则会导致目标回波强度值较小，散射稳定性差，较难实现大规模应用。
为提升水下角反射器的声反射性能，根据声阻抗失配原则，角反射器材料的声阻抗特性与水的声阻抗特性差异越大，角反射器的反声性能越优异，使声反射系数尽可能接近于1，使声波尽可能无损反射。国内陈鑫等利用空气和水的特性阻抗严重失配，提出了一种水下空气腔角反射器，与单层金属板角反射器相比，空气腔角反射器具有良好的反声性能，并且没有明显的频率特性，散射特性类似于刚性角反射器，是一种理想的水下角反射器；学者罗祎等提出了一种泡沫夹层水下角反射器，但由于泡沫层声阻抗特性较小，无法大幅改善水下角反射器反声性能。常压条件下，水介质的密度和声速远大于空气，空气的声特性阻抗很小，其声阻抗特性与水严重失配，但把空气层做成独立的反声材料十分困难，国内学者使用橡胶包裹金属构造空气层，但橡胶透声性好，无法实现较高的反声系数，并且加工过程较为复杂，效费比较高。
发明内容
本发明提供一种增强水下声散射特性的角反射装置，能够解决现有技术中水下角反射体需满足钢质条件并具有较大反射面积，会使质量与体积较大，且现有水下角反射器通常为一体装置，不利于保存、使用与布放，更不利于拖曳等水下作业方式，无法满足实际工程应用；若反射面面积小、不满足钢质条件，则会导致目标回波强度值较小，散射稳定性差，较难实现大规模应用的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明实施例提供一种用于增强水下声散射特性的角反射装置，其包括3个水下角反射器，每个水下角反射器作为一个单元，可进行模块化组装，可根据任务需求或使用需求任意组装成为各种形状和不同反射面积的角反射器，3个水下角反射器的基础形状为三面三角形角反射器，也可根据设计需求进行更改，技术条件一致；
每个水下角反射器包括第一金属板、第二金属板、以及位于所述第一金属板和所述第二金属板之间的密闭腔体；所述第一金属板和所述第二金属板的厚度均为2mm，所述密闭腔体的厚度为10mm，所述密闭腔体的内部气压在实际工况下为0.06Pa。优选地，所述密闭腔体的内部气压理想状态为真空。
根据本发明一优选实施例，每个水下角反射器为直角三角形结构。
根据本发明一优选实施例，每个水下角反射器的第一金属板上设置有抽气阀芯。
根据本发明一优选实施例，所述抽气阀芯上设置有开关和气压表。
根据本发明一优选实施例，所述第一金属板和所述第二金属板的材料须相同，为声阻抗特性良好的材料，可为铁、钢、铜、铬、镍、钼和钛中的一种材料。
根据本发明一优选实施例，在三面三角形角反射器内，每个水下角反射器的质量为3.9kg，整体角反射装置的质量为11.7kg，可根据此方案进行多面、多角优化。
根据本发明一优选实施例，3个水下角反射器结构和尺寸均相同，均为等腰直角三角形结构。
根据本发明一优选实施例，所述密闭腔体的形状、角反射器组合形状、腔体内部反声材料的选择可根据声散射特性需求进行更改优化。
有益效果：本发明公开了一种用于增强水下声散射特性的角反射装置，该角反射装置包括3个水下角反射器，每个水下角反射器均为直角三角形结构，且3个水下角反射器形成三角锥面结构的三个侧面；每个水下角反射器包括第一金属板、第二金属板、以及位于第一金属板和第二金属板之间的密闭腔体；第一金属板和第二金属板的厚度为2mm，密闭腔体的厚度为10mm，密闭腔体的内部气压在实际工况下为0.06Pa。由于密闭腔体为0.06pa负压状态，与现有技术中的刚性条件下单层钢质三面角反射器相比，本发明的角反射装置目标强度值特性曲线变化规律基本一致，目标强度值在全入射角范围内大于刚性条件三面角反射器，散射宽度也更为优异，验证了该角反射装置的结构设计对刚性角反射器声散射特性改善效果好，在相同反射面积下，具有密闭腔体的角反射装置散射强度大，无明显的频率特性，去耦作用明显，目标回波强度值可增大2dB，并具有更优异的散射稳定性，整体质量减小约20kg，具有较强的工程实用性，证明具有密闭腔体的角反射装置是理想的水下反声装置。具有密闭腔体的角反射装置在优化反射材料的基础上，进行了组合式设计，每个腔体作为独立模块存在，可根据实际使用条件，设计不同的角反射器支架，将反射腔体进行任务化组装。可根据实际使用需求，进行模块化组装，实现不同反射形状和反射面积的应用，且单腔体模块化结构极大的改善了实际使用质量，极大的提高了工程应用性。
附图说明
为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的一种水下角反射器的结构示意图。
图2为本申请实施例提供的一种用于增强水下声散射特性的角反射装置的立体结构示意图。
图3为本申请实施例提供的一种用于增强水下声散射特性的角反射装置中的一个水下角反射器的侧视图。
图4为本申请实施例提供的一种用于增强水下声散射特性的角反射装置中的一个水下角反射器的膜层示意图。
图5和图6为本申请实施例提供的一种用于增强水下声散射特性的角反射装置的实物示意图。
图7和图8为本申请实施例提供的一种用于增强水下声散射特性的角反射装置的实物的局部示意图。
图9为本申请实施例提供的一种用于增强水下声散射特性的角反射装置的试验装置的示意图。
图10为本申请实施例提供的一种用于增强水下声散射特性的角反射装置的试验装置布放示意图。
图11为本申请实施例提供的一种用于增强水下声散射特性的角反射装置的试验装置的实验数据图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
角反射器作为一种无源信号反射装置，最早应用于电磁波对抗领域，具有回波信号强，制造成本低，工艺流程简单等优点。利用角反射器的显著优点，将其应用于水下声学对抗领域，其原理是将声波在一定范围内汇聚并沿入射方向反射,具有良好的声散射特性，通过模拟水下目标声纳反射回波的方式，将多个水下角反射器组合，可用于标记水下结构以及模拟水下假目标，实现水下目标回波强度值与尺度信号的模拟。
常规水下声学角反射体具有三个声反射面，声反射面为单层金属板，材料为密度较大的金属如钢、铜等，其声阻抗特性与水失配较大，声反射性能较好。但金属板在厚度小于10mm时，透声性较好，具有很明显的弹性特征，声波在反射过程中有较大弹性损失，导致声散射特性较差；当金属板厚度大于10mm时，反射系数接近于1，具有明显钢质特征，声散射特性较为优异，会使质量与体积较大，无法满足实际工程应用。若反射面面积小、不满足钢质条件，则会导致目标回波强度值较小，散射稳定性差，较难实现大规模应用。
声波在真空状态下无法传播，当声波入射到接近真空状态的密闭腔体时可完全反射，理论上反射系数为1，因此该密闭腔体可作为良好的反声材料层，该密闭腔体对角反射体声散射特性的改善能力。由于无法实现独立的密闭腔体，设计“三明治”结构密闭腔体水下角反射器，利用金属薄板构形成封闭空腔，将金属空腔内气体抽至接近真空的负压状态，此时角反射器有两层反声材料，外部为金属材料反声层，内部为真空反声层。
本发明实施例提供一种用于增强水下声散射特性的角反射装置的结构示意图。一种用于增强水下声散射特性的角反射装置包括3个水下角反射器，每个水下角反射器作为一个单元，可进行模块化组装，可根据任务需求或使用需求任意组装成为各种形状和不同反射面积的角反射器，3个水下角反射器的形状为三面三角形角反射器。每个水下角反射器包括第一金属板、第二金属板、以及位于第一金属板和第二金属板之间的密闭腔体。第一金属板和第二金属板的厚度均为2mm，密闭腔体的厚度为10mm，该密闭腔体的内部气压在实际工况下为0.06Pa。优选地，密闭腔体的内部气压理想状态为真空。
优选地，每个水下角反射器大小可定制，每个水下角反射器均为直角三角形结构，且3个水下角反射器形成三角锥面结构的三个侧面。每个水下角反射器的斜边长度优选为0.5m。每个水下角反射器的第一金属板上设置有抽气阀芯。抽气阀芯上设置有开关和气压表。优选地，对密闭腔体体进行抽气，至内部达到或接近真空状态，密闭腔体的内部气压为0.06Pa。优选地，第一金属板和所述第二金属板的材料须相同，为声阻抗特性良好的材料，可为铁、钢、铜、铬、镍、钼和钛中的一种材料。每个水下角反射器的质量为3.9kg，整体角反射装置的质量为11.7kg，可根据此方案进行多面、多角优化。在另外一个实施例中的3个水下角反射器结构和尺寸均相同，均为等腰直角三角形结构。
具体地，如图2所示，该角反射装置10包括水下角反射器11、水下角反射器12和水下角反射器13，水下角反射器11、水下角反射器12和水下角反射器13均为直角三角形结构，且相邻的水下角反射器相贴合的边长相等。水下角反射器11、水下角反射器12和水下角反射器13形成三角锥面结构。
水下角反射器11、水下角反射器12和水下角反射器13的结构相同，以水下角反射器12的结构为例进行说明。如图3和图4所示，水下角反射器12的质量优选为3.9kg。水下角反射器12包括第一金属板121、第二金属板123、以及位于第一金属板121和第二金属板123之间的密闭腔体122。第一金属板121和第二金属板123的材料为铁、钢、铜、铬、镍、钼和钛中的一种材料，且第一金属板121和第二金属板123优选相同。第一金属板121和第二金属板123的厚度为2mm，密闭腔体122的厚度为10mm，密闭腔体122的内部气压为0.06Pa。水下角反射器12的斜边长度为0.5m。如图5、图6、图7和图8所示，水下角反射器12的第一金属板上设置有抽气阀芯124。抽气阀芯124上设置有开关125和气压表126。
图5、图6、图7和图8为一种用于增强水下声散射特性的角反射装置的实物图。角反射装置10包括相互垂直的三块独立的密闭腔体的角反射装置，密闭腔体外部接一个单向抽气阀芯，抽气阀芯连接开关和气压表，在使用时使用空压机将内部空气抽出，腔体内部为0.06pa，趋近于真空的状态。相比与钢质三面角反射体，单个密闭腔体的水下角反射器质量为3.9kg，整体质量为11.7kg，不计入腔体支架的情况下，远小于单层钢质三面角反射体30kg的质量，因此具有更好的工程实用性。
为验证密闭腔体对角反射装置声散射特性的改善能力，进行典型水池实验。试验装置布放如9所示，将角反射装置10用缆绳连接吊放于水池20的水中，缆绳固定在旋转平台21上，忽略细绳对声散射的影响，将标准水听器22与发射换能器23外接pvc圆管吊放入水池20的水中，保证三个试验设备的声学中心处于同一深度。发射换能器23发射声波的方向为正对角反射装置10的声学中心，保证声源入射角度的准确性。试验设备水池布放实景如图10所示，此时声源入射角度为0°，声波垂直入射在角反射装置10的一个反射面上。
角反射体边长为0.5m，根据公式L2/λ,可知在15kHz的入射声源下，角反射装置10距离标准水听器2.5m，角反射装置10距离发射换能器3m，以满足远场条件。入射声波为CW脉冲信号，脉冲周期为2s，脉冲宽度为1ms，频率为15kHz，通过较窄脉冲宽度和单位脉冲周期内不少于十个波的条件，来实现稳定的散射目标强度，使得入射脉冲信号产生的混响波对目标反射波影响最小。在声学中心不变的前提下，旋转角反射体，每5°旋转一次进行数据采集，测量角度变化对角反射体目标强度值的影响，水听器连接示波器，在示波器上观察目标强度回波的变化并进行记录分析。
具有密闭腔体的角反射装置10对内部腔体进行抽气处理，使得腔体内部气压尽可能接近真空状态。通过缆绳将不同类型角反射体吊放于混响水池中，转动角反射体，每5°进行一次测量采样，目标强度值随入射角度变化曲线如下图11所示。
在混响水池实测中，两类角反射体目标强度变化趋势相同，对比分析可得，具有密闭腔体的角反射体的目标强度曲线平滑，在0-90°内都有较高的目标强度值，散射宽度大且具有良好的去耦作用，因此具有密闭腔体的角反射体具有更好的声散射性能。
实验条件下具有密闭腔体的角反射装置10目标强度值比仿真计算值大约0.6dB，造成这种误差的因素是混响水池较小，池壁混响无法完全避免，导致混响波与具有密闭腔体的角反射体的散射波发生了叠加。相比仿真结果，具有密闭腔体的三面角反射体目标强度试验值的特性曲线更为尖锐，这是由于实际试验中，角反射体在水下转动的人为误差较大，声波入射角度取样点较少。
综上可知，由于腔体与水介质层声阻抗特性失配严重，在实际实验条件下，对比单层金属、空气腔三面角反射体，具有密闭腔体的角反射装置10声散射特性更好，可极大的改善三面角反射体的声散射特性，也证明了具有密闭腔体的角反射装置10设计的合理性。
综上，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种用于增强水下声散射特性的角反射装置，其特征在于，包括3个水下角反射器，每个水下角反射器作为一个单元，可进行模块化组装，可根据任务需求或使用需求任意组装成为各种形状和不同反射面积的角反射器，3个水下角反射器的基础形状为三面三角形角反射器，也可根据设计需求进行更改，技术条件一致；
每个水下角反射器包括第一金属板、第二金属板、以及位于所述第一金属板和所述第二金属板之间的密闭腔体；所述第一金属板和所述第二金属板的厚度均为2mm，所述密闭腔体的厚度为10mm，所述密闭腔体的内部气压在实际工况下为0.06Pa。
2.根据权利要求1所述的用于增强水下声散射特性的角反射装置，其特征在于，每个水下角反射器为直角三角形结构。
3.根据权利要求1所述的用于增强水下声散射特性的角反射装置，其特征在于，每个水下角反射器的第一金属板上设置有抽气阀芯。
4.根据权利要求3所述的用于增强水下声散射特性的角反射装置，其特征在于，所述抽气阀芯上设置有开关和气压表。
5.根据权利要求1所述的用于增强水下声散射特性的角反射装置，其特征在于，所述第一金属板和所述第二金属板的材料须相同，为声阻抗特性良好的材料，可为铁、钢、铜、铬、镍、钼和钛中的一种材料。
6.根据权利要求1所述的用于增强水下声散射特性的角反射装置，其特征在于，在三面三角形角反射器内，每个水下角反射器的质量为3.9kg，整体角反射装置的质量为11.7kg，可根据此方案进行多面、多角优化。
7.根据权利要求1所述的用于增强水下声散射特性的角反射装置，其特征在于，3个水下角反射器结构和尺寸均相同，均为等腰直角三角形结构。
8.根据权利要求1所述的用于增强水下声散射特性的角反射装置，其特征在于，所述密闭腔体的形状、角反射器组合形状、腔体内部反声材料的选择可根据声散射特性需求进行更改优化。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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