基於有源吸聲單元的聲隱身技術研究論文
基於有源吸聲單元的聲隱身技術研究論文
摘 要：對聲隱身技術現狀進行了概括，提出開展主動吸聲層研究的必要性；構建了基於有源吸聲單元的主動吸聲層模型，並對吸聲單元的吸聲效能進行了理論分析及計算機模擬研究，驗證了該方案的可行性。
關鍵詞：聲隱身；有源聲學結構；吸聲
引言
隨著現代戰爭向電子戰、資訊戰方向的發展，軍事目標的隱身效能成為決定其生存能力及戰鬥力的重要指標。對於海軍，其主要偵察手段多是利用聲波進行的，假如裝置的輻射噪聲比較高，會降低自身的隱蔽性而受到攻擊；另一方面，為了獲得更好的隱身效能，還需要考慮如何應對主動聲吶的探測。如果能將聲吶的探測波有效的進行吸收，使回波減弱，則可大大加強目標的隱身效能。基於此，本文提出了一種應用有源吸聲單元構建吸聲層，以提高目標聲隱身效能的方法。
1. 聲隱身技術現狀
在現代檢測技術條件下，軍事目標特徵包括電磁特徵、光學特徵、聲學特徵以及尾流特徵等。由於水中環境的特殊性，只有聲探測可以達到遠端[1]，因此對於海軍而言，聲隱身效能尤為重要。潛艇以其隱蔽性和機動性等特點成為各國發展的重點[2]。然而隨著聲吶及訊號處理技術的迅猛發展，潛艇的隱蔽性受到了極大的威脅，提高潛艇聲隱身效能成為近年來研究的熱點。
由於主動聲吶技術的廣泛應用，不僅是潛艇本身的輻射噪聲，甚至是艇體表面對聲吶探測波的反射都成為了暴露目標的致命因素。為了降低艇體對聲波的.反射，目前各國的潛艇大部分都敷設了消聲瓦。消聲瓦是一種利用材料的聲學效能實現吸聲的無源控制方式。研究表明，這種控制方式對高頻聲波的控制效果較好，而對低頻聲波控制不佳[3]。隨著聲吶技術不斷向大功率、低頻段方向發展，普通的被動消聲瓦已無法滿足潛艇聲隱身的需要，因此各國相繼開展了主動消聲瓦的研究，然而由於種種原因的限制，目前該技術還未發展到大規模應用階段。
2. 應用有源吸聲單元構建主動吸聲層
對於主動消聲瓦的研究，屬於有源吸聲的研究範疇。其根本思路在於利用次級力源或次級聲源向外輻射的聲波，與聲吶的探測波產生相消性干涉，實現“以聲消聲”，並利用誤差感測器及自適應控制器實現對次級源的實時控制。系統如圖1所示。但是次級源及誤差感測器的個數及布放位置強烈依賴於外界環境，且為增大控制面積而採用的多通道系統也使系統的複雜程度增加，穩定性和實時性下降。鑑於以上原因，本文借鑑有源聲學結構的相關理論，提出了一種基於有源吸聲單元的主動吸聲層構建方案。
圖1 有源吸聲系統示意圖
在每個吸聲單元中，包括了次級聲源和誤差感測器，透過控制次級聲源的輸出，實現總反射聲功率最小，達到吸聲的目的。由於每個吸聲單元擁有獨立的誤差感測器及控制器，故可透過多個吸聲單元的組合，實現大面積有源吸聲層的構建，而整個控制系統演算法的複雜度卻不會因此而增加。
3. 有源吸聲效果分析
由於每個吸聲單元相對獨立，因此對其吸聲效果進行分析時，可將重點放在單個吸聲單元模型的分析上。模型中初、次級板平行，且間距遠小於頻段內聲波波長。採用聲功率近場計算方法，可得到吸聲單元的總反射聲功率為：
其中為傳輸阻抗矩陣，為總法向振速，可表示為次級控制力向量的函式：
結合式（1）、（2）可以看出，總反射聲功率是的二次型函式，可求得唯一的一組控制力向量使得反射聲功率最小，此時的即為吸聲結構的最優控制力向量。最優控制力向量及最小反射聲功率分別為：
式中，C、D、E的表示式見文獻[4]。
對吸聲單元進行算例模擬。模擬中，著重關注300Hz以下頻率範圍內的聲反射及吸收問題。在次級源作用前後，吸聲結構的總反射聲功率對比如圖2所示。圖中實線及虛線分別表示次級源作用前、後結構總反射聲功率。從圖中可以看出，次級源作用後，總反射聲功率有所下降，也就是說吸聲單元具有一定的吸聲效能。在低頻段，控制前後的總反射聲功率相差較大，隨著頻率的升高，吸聲效果逐漸減弱，說明有源控制適用於對低頻聲的吸收。
圖2 有源控制前後吸聲單元的反射聲功率
結論
本文對國內外聲隱身技術的現狀進行了研究，可以看到，目前廣泛採用的被動消聲瓦對低頻聲波的吸收效能很差，在應用上存在一定的侷限。結合有源聲學結構的特點，提出了一種基於有源吸聲單元的聲隱身技術，並對吸聲單元進行了建模及模擬分析，驗證了對低頻聲波的吸收效能。吸聲單元可結合誤差感測器及控制器，透過一定的自適應演算法，實現對吸聲效果的實時控制。利用有源吸聲單元的組合，可構建大面積主動吸聲層，提高裝備的聲隱身效能。
參考文獻：
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[2] 俞曉麗. 聲學覆蓋層聲阻抗測量方法及複合結構聲反射預報研究[D]. 碩士學位論文, 哈爾濱工程大學, 2006.
[3] 陳克安，尹雪飛. 低頻聲有源吸收理論研究[J]. 振動與衝擊, 2000，19（1）：71-74.
[4] 陸晶，陳克安，李雙. 平面結構有源聲吸收理論研究[J]. 噪聲與振動控制，2009，29(4):111-115.