潜艇艏端耐压舱壁构型对声目标强度的影响

胡泊，张均平

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

潜艇艏端耐压舱壁构型对声目标强度的影响

胡泊，张均平

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

潜艇艏部目标强度偏大，影响潜艇的声隐蔽性。由目标强度贡献比例曲线发现，艏端耐压舱壁是潜艇艏部目标强度的主要来源。潜艇艏端耐压舱壁主要有（椭）球面和平面2种形状，声波自艏端入射时，刚性平面的目标强度显著高于有一定曲率的刚性椭球面的目标强度。建立了一系列具有不同曲率的椭球形艏端耐压舱壁模型，基于板块元方法分析了艏端目标强度随舱壁曲率的变化关系，并对结果进行对数拟合，再利用BEM数值方法对耐压壳体艏部近场回波进行仿真，得到散射声压云图。计算结果表明：耐压壳艏端舱壁采取椭球面构形能够减弱散射声场的指向性，从而显著降低目标强度（＞10 dB）。曲率大于一定程度时，艏端目标强度值趋于稳定。

目标强度；耐压舱壁；曲率；板块元；边界元

0 引 言

声隐蔽性是现代潜艇的标志技术性能之一。它既是潜艇极其重要的战术技术性能和进行潜艇战的技术基础，也是影响潜艇作战能力和生存能力的至关重要的因素［1］。潜艇对抗反潜主动声呐的声隐身能力，由声目标强度（TS）衡量，用以表征潜艇回波能力的强弱。降低目标强度有利于提高

潜艇的声隐蔽性。

潜艇的典型目标强度特征是正横方向目标强度较大，艏端、艉端较小［2］。但根据一些资料显示，某些潜艇的艏部目标强度较大。较高的艏部目标强度水平相当于增添了“强回波亮点”［3］，导致不良影响：当潜艇处于有利于鱼雷发射的阵位（与敌舰艇纵向接近垂直的角度），被敌方舰艇主动声呐探测的概率大幅提高；在潜艇对潜艇作战中，较高的艏部目标强度水平也导致敌方鱼雷更容易进入主动声呐制导阶段，更难规避，导致生存能力降低。

潜艇的艏部目标强度水平具有很重要的军事意义，因而逐渐受到研究者的关注，如潘安等［4］利用板块元方法（PEM）计算分析得到结论：单壳体鳊鱼形艇体的艏部目标强度高于常规椭球艏艇体目标强度。更多学者采用基于亮点理论的解析方法分析了潜艇回波特征，其中即包括艏部回波特征：李正刚等［5］建立了涵盖艏部回波亮点的鱼雷追踪声目标仿真模型；王明洲等［6］利用三参数亮点方法得到艏部回波时域仿真信号；范军等［7］利用亮点思想与几何声线法分析了敷设消声瓦的双层壳回波特征。但总体而言，上述研究主要集中于单壳体潜艇模型的艏部回波分析，较少涉及双壳体潜艇的艏部目标强度水平分析。

潜艇艏部目标强度水平与艏端构件的设计存在较大的关联。如耐压壳艏端舱壁存在平面加筋板和半椭球这2种差别较大的结构形式。如果在其设计初始阶段并未考虑声目标强度指标，而主要关注其结构强度［8］、焊接工艺性［9］、振动声辐射性能［10］等问题，有可能导致后期声目标强度控制的困难。因此采取合理的艏端构型对潜艇的声目标强度控制具有很重要的意义。

为解释潜艇艏部目标强度较大的原因，并进行低声目标强度优化设计，以下几个方面值得思考：1）艏部目标强度的主要贡献来源；2）出现艏部目标强度显著差异的潜艇的最主要区别；3）艏部目标强度随设计参数的变化关系。

对于上述问题，采取基于几何光学原理的目标强度解析公式，可在一定程度上快速定性分析几何构型对艏端目标强度的影响；借助FEM/BEM等数值方法，有利于观察散射声场分布，分析回波特性。另外，由于潜艇的外形较为复杂，因此也需要采用工程算法，如使用PEM获得较为准确的艏端目标强度值以及回波贡献比。上述工作不仅能从机理上解释潜艇艏端声目标强度偏大的原因，而且能定量分析艏端声目标强度随构型参数的变化关系，得到有利于潜艇的低声目标强度设计的结论。

1 方法原理

1.1 目标强度解析公式

Urick［11］基于几何光学原理推导了刚性椭球面、刚性圆形面的目标强度解析公式。该公式适用于高频状态的目标强度计算。

假设a为椭球平行于入射方向半轴长，b和c为椭球的另两个半轴长。定义椭球离心率椭球面的目标强度(TS)可以由式（1）计算。

假设r为圆板半径，λ为波长，θ为入射方向与圆面法向的角度，β=2ka sin θ，则目标强度按式（2）计算。

式中，J1为一阶柱贝塞尔函数，当入射方向接近垂直于圆板时，θ→0，β=2ka sin θ→0，目标强度公式简化为

1.2 板块元方法

PEM是基于Kirchhoff高频近似理论，预报复杂目标回波强度的工程实用方法［12］。建立潜艇的三维几何模型，然后将表面划分成若干近似平面板块，考虑所有小板块的回波贡献即得到潜艇的目标强度。

对于钢质双壳潜艇，潜艇的总回波能力可以视为内壳和外壳的回波声能之和［13］。耐压壳面为声全反射面，轻外壳对入射声波兼有反射和透射作用［14］。因此总目标强度（TS）为耐压壳的经过2次透射损耗后内壳的目标强度（TSex）t与非全反射的轻外壳的目标强度（TSin）t之和。基于内外壳回波能量叠加理论，也能够获得内外壳的回波贡献比例。

2 计算分析过程

2.1 板块元收敛性分析

板块元方法的精度高度依赖于几何模型建模的准确性以及网格划分方式。对于具有一定曲率的规则曲面，在保证几何模型准确的前提下，需进行网格划分的收敛性分析。解析公式的结果可以作为板块元方法结果是否收敛的判断依据。

验证模型为半椭球，形状参数为e=0.5，b=c= 2 m，a=1 m。根据式（1），椭球面目标强度解析解为6 dB。在ANSYS中按照不同网格间距将其划分成若干非映射三角形板块，并进行收敛性分析。不同网格划分下板块元结果如图1所示。

图1 板块元方法收敛性分析Fig.1 Convergence analysis of PEM

由图1可见，网格划分对板块元方法的结果影响显著：当网格间距较大时，目标强度值剧烈起伏，误差较大；随着网格间距的缩小，板块元方法的计算结果逐渐趋于解析方法的常数值结果（6 dB），因此认为板块元法已趋于收敛。权衡计算量与计算精度，椭球面选取网格间距50 mm较为合适。

对于平面，同样进行收敛性分析，可以选取较大的网格间距，如100 mm或以上，板块元结果精度即可达到较高水平。

2.2 艏端回波贡献分析

潜艇艏端耐压舱壁包括球面舱壁和平面舱壁2种结构形式（图2）。

图2 两种耐压艏端舱壁类型Fig.2 Two types of bow pressure bulkhead

文献［1］指出艏端耐压球面舱壁宜采用三心球壳形式：中央部分为大半径R的球壳，接近边缘采用半径为r的小圆弧过渡。该构形可以简化为半椭球曲面。另一种常见结构形式为具有交叉梁系板架结构的平面艏端舱壁构型，回波分析中可以简化为刚性圆形平板。

基于上述的板块元方法以及双层壳目标强度合成方法得到通用Benchmark模型［15］（图3）的艏部目标强度随频率变化曲线（图4）以及内外壳体的目标强度贡献比例（图5）。潜艇为纯钢质，轻外壳厚度取固定值6 mm，艏端为半椭球舱壁，离心率为0.5。

图3 双壳体Benchmark潜艇模型Fig.3 Model of double-hull benchmark submarine

图4 不同部位目标强度对比Fig.4 Comparison of TS of different components

图5 不同部位目标强度贡献比例Fig.5 Comparison of TS contribution of different components

由图可见，在很大的频率范围内，耐压壳艏端舱壁是艏部目标强度的首要来源：主要是因为轻外壳的厚度较小（6 mm左右），而且入射声波的频率不太高（＜10 kHz），由此导致其声压反射系数较小，透射系数较大，使得内壳回波占主导地位。另外轻外壳艏部为椭球形，回波能力较弱，也是其目标强度贡献比例较低的原因之一。

2.3 不同舱壁构型回波特性

上述计算结果表明，在潜艇艏端的回波贡献来源中，耐压舱壁占据着极其重要的地位。而由于耐压舱壁是全反射表面，因此回波的主要成分是几何回波。舱壁的几何形状对艏端目标强度产生显著影响。

建立一系列不同曲率的艏端耐压舱壁，a=2 m保持不变，定义椭球离心率分别取e为 1.25，1，0.8，0.5，0.2，0.1。离心率越小，则曲率越低，越接近于平板。根据式（1）和式（3），计算其目标强度，并与同半径的平面舱壁进行对比（表1）。

由表1可见，平板的目标强度在10 kHz内平均值为26.2 dB，明显高于其他半椭球面的目标强度（-1.94～20 dB）；而且离心率越小，椭球面的目标强度越接近于平板的目标强度。

表1 不同形状舱壁目标强度值Tab.1 TS values of bulkheads with different shapes

采取间接边界元方法（IBEM）对不同构型的耐压壳艏部回波进行数值仿真（图6）。设置艏端入射的平面波声源幅值为1 N/m2，导入结构网格与场点网格，基于Virtual.Lab平台进行数值计算，并对场点声压结果进行可视化后处理。

图6 间接边界元模型示意图Fig.6 Calculation model of IBEM

选取几种典型的耐压舱壁形状：平板、椭球（e=0.5）、半球（e=1.0），在1 kHz时得到散射声压场云图分别如图7～图9所示。

图7 平面舱壁散射声压云图Fig.7 Scattering pressure contours of planar bulkhead

图8 椭球舱壁散射声压云图Fig.8 Scattering pressure contours of ellipsoidal bulkhead

图9 半球舱壁散射声压云图Fig.9 Scattering pressure contours of spherical bulkhead

由散射声压场云图可以看出，平板舱壁的散射声场指向性强，艏端方向的声压幅值大，偏离此方向则幅值较小，说明散射声能主要集中在艏端方向。半椭球舱壁与半球舱壁的声场指向性则相对较弱，与艏端成一定角度也存在声压幅值较高的旁瓣，具有相当的能量，因此艏端反射的声能较弱，故而目标强度较平板舱壁小。而且椭球面的曲率越大，则声场指向性越弱，目标强度水平也越低。这与板块元方法所得到的结论相符。

3 艏部目标强度拟合分析

上述研究表明，耐压壳艏端舱壁曲率在很大程度上决定着潜艇艏端目标强度水平。建立艏部目标强度与离心率的定量关系有助于潜艇低声目标强度的设计。基于板块元方法、双层壳回波能量叠加理论，计算了耐压舱壁为平板和不同离心率的椭球构型时的艏部目标强度随频率变化的关系（图10）。

图10 艏部目标强度曲线Fig.10 Bow TS curves

取目标强度在1～10 kHz内的均值，对离心率进行拟合，得到目标强度随离心率连续变化的拟合曲线，如图11所示。

图11 艏部目标强度拟合曲线Fig.11 Fitting curves of an entire submarine's bow TS

艏部目标强度随离心率的拟合公式为

艏部目标强度对离心率的一阶导数为

可见离心率对目标强度的影响近似为对数函数关系，离心率越大，目标强度越小，目标强度对离心率的一阶导数也越小。

对于双层壳钢质Benchmark潜艇，将平面耐压舱壁，改换成椭球舱壁，可以明显降低目标强度：e=0.1时，目标强度降低10 dB左右；e=0.2时，目标强度降低13 dB左右。采用曲率更大（e＞0.5）的椭球舱壁时，目标强度继续降低的趋势不显著。

4 结 论

基于板块元方法以及双层壳潜艇目标强度合成理论，发现在1～10 kHz内，耐压壳艏端舱壁是Benchmark双壳潜艇的艏部目标强度的最主要来源。由于耐压壳可视为全反射表面，因此其耐压舱壁的形状直接影响了艏部目标强度大小。舱壁曲率越大，则散射声场的指向性越弱，目标强度越小。离心率对目标强度的影响可近似用对数函数表征：TS=10.12-3.93 ln(e)。并有以下结论：

1）双层壳Benchmark潜艇艏端耐压舱壁构型采用平板时，艏部目标强度水平较高，10 kHz内平均为26.2 dB；变为半椭球形，艏部目标强度会显著降低。

2）艏部目标强度随椭球舱壁离心率增大而单调递减，同时目标强度下降趋势变缓：离心率超过0.5后，平面舱壁与椭球舱壁艏部目标强度的差别趋于稳定。

3）潜艇艏端耐压舱壁的设计选取具有一定曲率的曲面构型而非纯平面构型，有利于控制艏部目标强度水平。

本文也存在一些局限性，如所采取的是简化的模型，其结构、形状与实际潜艇存在较大的区

别，也没有考虑消声瓦等声隐身措施对目标强度的影响。另外，艏部目标强度特征应该包括声波在艏部附近一定角度范围内随机入射的情况，本文只分析了单个入射角时的目标强度特征。上述问题可在后续工作中进一步研究。

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Effect analysis for the shape of submarine bow pressure bulkhead upon the acoustic target strength

HU Bo，ZHANG Junping
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

High level of acoustic Target Strength（TS）from the bow of submarine forms great threat to submarines'acoustic stealth.According to the TS contribution curves，it's adduced that the bow pressure bulkheads are the main source of a submarine's bow target strength.There are two types of bow pressure bulkhead：ellipsoidal and planar bulkheads.And the TS of a rigid plane is much bigger than that of a ellipsoidal one.Based on Plane Element Method（PEM），the relationship of a submarine's bow TS with the bulkheads'curvature is analyzed，and logarithmic fitting is made by calculating the TS of a series of ellipsoidal pressure bulkhead with different curvatures.Then，the acoustic scattering pressure images near pressure bulkhead are obtained via indirect Boundary Element Method（BEM），and it suggests that the scattering pressure field of ellipsoidal surfaces have less directivity index compared to those of the planar bulkhead，which results in significant lower TS level（more than 10 dB）.If the curvature is bigger than a certain value，the bow TS of an ellipsoidal pressure bulkhead tends to be stable.

target strength；pressure bulkhead；curvature；Plane Element Method（PEM）；Boundary Element Method（BEM）

U663.5

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.06.004

2016-04-20

时间：2016-11-18 15:19

国家部委基金资助项目

胡泊（通信作者），男，1993年生，硕士生。研究方向：声目标强度预报，吸声覆盖层设计仿真。E-mail：huboaaaa@163.com张均平，男，1960年生，研究员。研究方向：声目标强度预报

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20161118.1519.008.html 期刊网址：www.ship-research.com

胡泊，张均平.潜艇艏端耐压舱壁构型对声目标强度的影响［J］.中国舰船研究，2016，11（6）：22-27. HU Bo，ZHANG Junping.Effect analysis for the shape of submarine bow pressure bulkhead upon the acoustic target strength［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（6）：22-27.