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1 前言
声纳就是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。目前，声纳是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。此外，声纳技术还广泛用于鱼雷制导、水雷引信，以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等。
声纳的分类可按其工作方式、按装备对象、按战术用途、按基阵携带方式和技术特点等分类方法分成为各种不同的声纳。例如按工作方式可分为主动声纳和被动声纳。主动声纳技术是指声纳主动发射声波“照射”目标，而后接收水中目标反射的回波以测定目标的参数。大多数采用脉冲体制，也有采用连续波体制的，适用于探测冰山、暗礁、沉船、海深、鱼群、水雷和关闭了发动机的隐蔽的潜艇等，它取决于目标的强度；被动声纳技术是指声纳被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位，判断出目标的位置和某些特性，特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇，它取决于目标的噪声和线谱特征。
有限元法(Finite Element Method, FEM)的基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体，是一套求解微分方程的系统化数值计算方法，它比传统解法具有理论完整、物理意义直观明确、解题效能强等优点，其适应性强，形式单纯、规范，现已被广泛应用到许多工程技术和科学研究领域。
常见声纳目标的特性是多种多样的，因而计算也是比较复杂的。例如为了方便计算声纳目标的强度，通常要将目标假设成理想的条件，如假定成刚性不动的球、柱等，由此计算得到的结果，尽管误差很大，但仍可以看作实际的目标。为了计算目标的线谱，需要对目标进行模态计算。采用有限元法可以对目标在结构上做出更少近似，还可以对不同材料构成的复杂目标进行建模，也很容易得到仿真结果。下面就水雷、鱼雷两种目标特性进行有限元计算。
2 水雷目标强度计算
水雷是布设在水中的一种爆炸性武器，它可由于舰船碰撞或进入其作用范围而起爆，用于毁伤敌方舰船或阻碍其活动。水雷具有隐蔽性好、布设简便、造价低廉等特点，按水中的状态区分，有触发水雷，非触发水雷和控制水雷。
水雷呈球形，为了便于计算其目标强度，常将其假定成刚性不动的球体，其物理模型如图1所示，假定球体直径为φ 200mm，平面声波平行入射到球体上，对应的有限元模型，如图1(b)所示（部分模型）。
为了提高计算速度，采用轴对称模型，球体可采用 plane13、plane42等单元类型，流体单元类型为fluid29(absent、present)，及无限声吸收单元 fluid129；网格划分的大小约为λ/4～λ/8；图2是 300Hz时的球体目标强度方位图。
图1(a) 刚性球物理模型 图1(b) 部分有限元模型
对于刚性不动球的目标强度理论计算公式为： TS =10lg(61.7V2/λ4)（式中V为小球的体积，λ为入射波的波长），但须满足两个条件 ka<<1和 kr>>1，对于直径为φ200mm的刚性小球， 300Hz的目标强度为-57.6dB，与有限元的结果相同。
图2 300Hz 时的目标强度的方位
3 鱼雷噪声线谱计算
在海战中鱼雷是水中常使用的武器，现在的鱼雷发射后可自己控制航向与深度，遇到舰船，只要接触就可爆炸，它具有航行速度快、航程远、隐蔽性好、命中率高和破坏性大等特点，可以说明是“水中导弹”。鱼雷雷身形状似柱形，头部呈半圆形，以减小航行中的阻力。前部为雷头，装有炸药和引信，中部为雷身，装有导航及控制装置，后部为雷尾，装有发动机和推进器等动力装置。按雷身直径分大于533mm 的为大型鱼雷，400～450mm的为中型鱼雷，小于324mm 的为小型鱼雷。
图3 鱼雷的线谱分布
图4 声场中的能量分布
在水声目标探测中，鱼雷的探测常常是被动探测，即探测鱼雷的噪声，检测其线谱进行目标识别。鱼雷的噪声主要是动力装置引起的噪声，包括螺旋桨的噪声及其激发起的各种噪声， 本文针对动力装置激发的噪声进行了计算。我们假定了一个简单的模型，为了计算方便和计算速度，采用了轴对称2D 模型建模，计算得到的噪声谱如上图3 所示。由于计算的模型简单，计算的带宽也较窄，很多模态被约束，因此线谱不够丰富。图中 500Hz左右的线谱是由雷壳局部弯曲振动引起的，对应的空间噪声场分布如图 4所示。
4 结论
水声目标的多样性决定着其水声参数的复杂性，这些参数不容易测量，较准确得到这些数据是非常困难的。随着计算科学技术的发展，现在的有限元计算已变的简单，能很方便的计算出各种复杂的情况，如有限元软件 ANSYS，功能非常全面，具有流固耦合的功能，一般的声学问题都可以解决，这给预报声纳目标特性参数带来了可能。通过对水雷和鱼雷两目标特性参数的计算，证明了 ansys软件在水声领域具有广阔的应用前景。
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