基于声隐身技术的水下无人系统防护功能材料研(2)

来源:金属功能材料 【在线投稿】 栏目:期刊导读 时间:2021-06-26
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摘要:主动隐身方式如下所示: (1)UUS外部敷设新型功能材料制备的换能器; (2)换能器实时采集分析声信号,识别周边声场环境; (3)当监测到对方声纳信号时,进

主动隐身方式如下所示:

(1)UUS外部敷设新型功能材料制备的换能器;

(2)换能器实时采集分析声信号,识别周边声场环境;

(3)当监测到对方声纳信号时,进行信号频谱特征解析,同时并将声纳信号全部吸收处理;

(4)结合声纳探测原理,控制中心合成一种“回波”信号,即为假设UUS不存在或者偏离实际位置的且与敌方声纳信号特征相同的“回波”信号[4];

(5)将“回波”信号通过新型功能材料制备的换能器发送回去,使敌方声纳回收到信号,从而错误判断UUS的实际信息。

3.1 控制UUS低频噪声

理想情况下,UUS声隐身设计对敌方声纳探测性能的抑制可以使用被动声纳方程来评估:

被动声纳方程:

DT=SL-TL-(NL-DI)

式中,DT为检测门限;SL为与目标辐射噪声声源级;传播损失TL=10nlgR+αR(α为水介质对声波的吸收系数,n与声波传播模型假设有关,n=1为柱面波假设,n=2为球面波假设);NL为噪声干扰级;DI为声纳设备指向性指数,主要反映敌方声学设备性能,假设DT+(NL-DI)=A。

当不考虑介质对声波吸收,即α=0时可知,暴露距离R由目标辐射噪声级TS决定。

由相关文献[5]知,在温度4℃附近,频率小于5 kHz时,根据Thorp低频段吸收系数α与频率关系的经验公式为:

可以看出,声波吸收系数α与f的平方近似成正比,这说明低频声信号的传播损失远小于高频信号。

通过开展声隐身设计,可以有效控制低频线谱特征信号和低频宽带噪声,从而抑制敌方低频远程水声探测距离和概率。

3.2 改变UUS线谱特征

在水声信息对抗中,通常采用LOFAR和BTR技术来获取水面舰船的时频图和方位历程图,并结合其他的信号处理手段来获取目标的方位、航速和距离信息。对于LOFAR和BTR技术来说,需要目标辐射噪声谱与宽带谱能量比海洋环境噪声高才能有效探测。因此,可通过声隐身设计,针对性地改变或降低UUS某个工作频段内线谱特征和宽带谱源级,可以有效抑制敌方线谱跟踪能力和定位概率。

3.3 改变UUS目标特性

根据主动声纳方程:

DT=SL-2TL+TS-(NL-DI)

式中,DT 为检测门限;SL为与目标发射声源级;TL=20nlgR+αR为传播损失;TS为水面舰船的目标强度;NL为鱼雷探测设备附近噪声干扰级;DI为鱼雷声纳设备指向性指数。

声纳方程中,SL-DT-(NL-DI)为主要鱼雷声学设备性能。假设其为常数A,不考虑介质对声波吸收,即α=0时,式(9)可以变换为:

声目标强度是影响水下无人平台对抗主动探测攻击的主要因素。因此,降低己方目标强度,可以减少来袭鱼雷的跟踪和攻击概率。在UUS声隐身设计中,可以贴敷声学材料来改变UUS的目标特性,可有效抑制敌方攻击威胁。

4 声隐身防护性能设计

4.1 换能器设计

传统的单一换能器无法测试声压传播方向和质点速度等矢量信息,因此采用在UUS表面以空间网状分布的阵列换能器[6]。在信号接收时,阵列换能器按一定规则、物理算法和时序对信号特征解析,在信号发射时,则可使各单元发射的声波叠加形成一个所需要的“回波”信号。

此外,为使UUS换能器应用领域更广泛,如完成目标的图像处理、识别和跟踪等功能,换能器中的类型可设置为多类型的传感器[7-8]。

4.2 材料选择

被动声隐身方式中的吸声材料的可选择常规的橡胶吸声材料,或者具有超常物理特性的超材料结构。主动声隐身方式的关键在于构成换能器的压电材料,相对于压电陶瓷材料、弛豫铁电材料等无机材料,高分子压电聚合物可以制成柔性膜,可以设计成任意形状,灵敏度高,并且材料的声阻抗与水等流体介质及生物组织能够实现阻抗匹配,因此选择高分子压电聚合物材料来制作换能器[9-10]。

5 高分子压电聚合物材料设计

5.1 PVDF压电薄膜优点

与传统的陶瓷压电材料相比,聚合物压电材料具有质轻、价廉、易加工等特点。其中聚偏氟乙烯(PVDF)制备的压电薄膜为综合性能最好的聚合物压电材料,其优点主要体现在:

(1)具有较高的强度、韧性、耐疲劳性能、抗蠕变性;

(2)使用温度宽,为-40~150℃;

(3)能够方便地粘贴于复杂构件或不规则形状的表面,而且可以长期进行工作;

(4)化学性能稳定,耐腐蚀、耐紫外线和高能辐射性;

文章来源:《金属功能材料》 网址: http://www.jsgncl.cn/qikandaodu/2021/0626/629.html



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