基于有源吸声单元的声隐身技术研究论文
摘 要：对声隐身技术现状进行了概括，提出开展主动吸声层研究的必要性；构建了基于有源吸声单元的主动吸声层模型，并对吸声单元的吸声性能进行了理论分析及计算机仿真研究，验证了该方案的可行性。
关键词：声隐身；有源声学结构；吸声
引言
随着现代战争向电子战、信息战方向的发展，军事目标的隐身性能成为决定其生存能力及战斗力的重要指标。对于海军，其主要侦察手段多是利用声波进行的，假如设备的辐射噪声比较高，会降低自身的隐蔽性而受到攻击；另一方面，为了获得更好的隐身性能，还需要考虑如何应对主动声呐的探测。如果能将声呐的探测波有效的进行吸收，使回波减弱，则可大大加强目标的隐身性能。基于此，本文提出了一种应用有源吸声单元构建吸声层，以提高目标声隐身性能的方法。
1. 声隐身技术现状
在现代检测技术条件下，军事目标特征包括电磁特征、光学特征、声学特征以及尾流特征等。由于水中环境的特殊性，只有声探测可以达到远程[1]，因此对于海军而言，声隐身性能尤为重要。潜艇以其隐蔽性和机动性等特点成为各国发展的重点[2]。然而随着声呐及信号处理技术的迅猛发展，潜艇的隐蔽性受到了极大的威胁，提高潜艇声隐身性能成为近年来研究的热点。
由于主动声呐技术的广泛应用，不仅是潜艇本身的辐射噪声，甚至是艇体表面对声呐探测波的反射都成为了暴露目标的致命因素。为了降低艇体对声波的.反射，目前各国的潜艇大部分都敷设了消声瓦。消声瓦是一种利用材料的声学性能实现吸声的无源控制方式。研究表明，这种控制方式对高频声波的控制效果较好，而对低频声波控制不佳[3]。随着声呐技术不断向大功率、低频段方向发展，普通的被动消声瓦已无法满足潜艇声隐身的需要，因此各国相继开展了主动消声瓦的研究，然而由于种种原因的限制，目前该技术还未发展到大规模应用阶段。
2. 应用有源吸声单元构建主动吸声层
对于主动消声瓦的研究，属于有源吸声的研究范畴。其根本思路在于利用次级力源或次级声源向外辐射的声波，与声呐的探测波产生相消性干涉，实现“以声消声”，并利用误差传感器及自适应控制器实现对次级源的实时控制。系统如图1所示。但是次级源及误差传感器的个数及布放位置强烈依赖于外界环境，且为增大控制面积而采用的多通道系统也使系统的复杂程度增加，稳定性和实时性下降。鉴于以上原因，本文借鉴有源声学结构的相关理论，提出了一种基于有源吸声单元的主动吸声层构建方案。
图1 有源吸声系统示意图
在每个吸声单元中，包括了次级声源和误差传感器，通过控制次级声源的输出，实现总反射声功率最小，达到吸声的目的。由于每个吸声单元拥有独立的误差传感器及控制器，故可通过多个吸声单元的组合，实现大面积有源吸声层的构建，而整个控制系统算法的复杂度却不会因此而增加。
3. 有源吸声效果分析
由于每个吸声单元相对独立，因此对其吸声效果进行分析时，可将重点放在单个吸声单元模型的分析上。模型中初、次级板平行，且间距远小于频段内声波波长。采用声功率近场计算方法，可得到吸声单元的总反射声功率为：
其中为传输阻抗矩阵，为总法向振速，可表示为次级控制力向量的函数：
结合式（1）、（2）可以看出，总反射声功率是的二次型函数，可求得唯一的一组控制力向量使得反射声功率最小，此时的即为吸声结构的最优控制力向量。最优控制力向量及最小反射声功率分别为：
式中，C、D、E的表达式见文献[4]。
对吸声单元进行算例仿真。仿真中，着重关注300Hz以下频率范围内的声反射及吸收问题。在次级源作用前后，吸声结构的总反射声功率对比如图2所示。图中实线及虚线分别表示次级源作用前、后结构总反射声功率。从图中可以看出，次级源作用后，总反射声功率有所下降，也就是说吸声单元具有一定的吸声性能。在低频段，控制前后的总反射声功率相差较大，随着频率的升高，吸声效果逐渐减弱，说明有源控制适用于对低频声的吸收。
图2 有源控制前后吸声单元的反射声功率
结论
本文对国内外声隐身技术的现状进行了研究，可以看到，目前广泛采用的被动消声瓦对低频声波的吸收性能很差，在应用上存在一定的局限。结合有源声学结构的特点，提出了一种基于有源吸声单元的声隐身技术，并对吸声单元进行了建模及仿真分析，验证了对低频声波的吸收性能。吸声单元可结合误差传感器及控制器，通过一定的自适应算法，实现对吸声效果的实时控制。利用有源吸声单元的组合，可构建大面积主动吸声层，提高装备的声隐身性能。
参考文献：
[1] 林立，俞孟萨等. 国外水面舰艇声隐身设计及控制技术概述[J]. 舰船科学技术, 2005，27（2）：92-96.
[2] 俞晓丽. 声学覆盖层声阻抗测量方法及复合结构声反射预报研究[D]. 硕士学位论文, 哈尔滨工程大学, 2006.
[3] 陈克安，尹雪飞. 低频声有源吸收理论研究[J]. 振动与冲击, 2000，19（1）：71-74.
[4] 陆晶，陈克安，李双. 平面结构有源声吸收理论研究[J]. 噪声与振动控制，2009，29(4):111-115.
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