[论文解读] Acoustic scattering by a cylinder near a pressure release surface

Zhen Ye, You-Yu Chen|ArXiv.org|Mar 22, 2001

Hydraulic and Pneumatic Systems参考文献 8被引用 5

一句话总结

本文提出一种自洽的模态展开方法，用于模拟无限或有限长度圆柱体与刚性边界之间的多重声散射，表明表面可因相位相关的干涉效应及低频时的偶极子辐射特性，抑制软质（空气填充）圆柱体的散射，但增强刚性圆柱体的散射。

ABSTRACT

This paper presents a study of acoustic scattering by a cylinder of either infinite or finite length near a flat pressure-release surface. A novel self-consistent method is developed to describe the multiple scattering interactions between the cylinder and the surface. The complete scattering amplitude for the cylinder is derived from a set of equations, and is numerically evaluated. The results show that the presence of the surface can either enhance or reduce the scattering of the cylinder, depending on the frequency, the composition of the cylinder, and the distance between the cylinder and the surface. Both air-filled and rigid cylinders are considered.

研究动机与目标

• 为建模长圆柱体靠近压力释放边界时的声散射，这是水下声学中的常见构型。
• 解决关于非球形、长条形散射体（如鱼类或水下原木）靠近表面的研究不足问题。
• 开发一种自洽方法，能够处理圆柱体与边界之间的多重散射。
• 分析边界对不同类型圆柱体（空气填充与刚性）散射强度的影响。
• 通过严格的模态方法，将分析从无限圆柱体扩展至有限圆柱体。

提出的方法

• 采用柱坐标系建立问题模型，以压力释放平面作为边界，利用对称性表示圆柱体及其镜像。
• 入射波建模为线源，反射波则表示为镜像源产生的场。
• 圆柱体的散射波表示为第一类汉克尔函数的无穷级数，代表向外传播的圆柱波。
• 通过将所有波场表示为模态级数，自洽地处理圆柱体与边界之间的多重散射。
• 通过在圆柱体表面和压力释放平面上施加边界条件，推导出方程组以确定散射系数。
• 该方法首先应用于无限圆柱体，随后通过借鉴先前文献中的真实方法，扩展至有限圆柱体。

实验结果

研究问题

• RQ1 压力释放表面的存在如何影响圆柱体的散射截面？
• RQ2 圆柱体与边界之间的多重散射在改变总散射图案中起什么作用？
• RQ3 靠近边界的空气填充（软质）与刚性圆柱体的散射特性有何不同？
• RQ4 圆柱体与表面之间的距离在多大程度上影响散射强度与直接性？
• RQ5 由于相长/相消干涉效应（如洛伊德镜像效应）导致的频率依赖性如何变化？

主要发现

• 由于相消干涉，尤其在低频时，压力释放表面的存在可显著抑制空气填充（软质）圆柱体的散射。
• 对于刚性圆柱体，表面可在大多数频率范围内增强散射强度，且在低频及后向散射方向增强最为显著。
• 刚性圆柱体的后向散射目标强度具有方向性，低频时最大散射发生在法向入射（0°）方向。
• 在低频时，双基地散射图案关于边界法线对称，表明主导模式为单极子模式，呈现偶极子辐射特性。
• 在高频（ka > 0.4）时，多重散射效应变得明显，并显著增强整体散射强度，尤其在后向散射方向。
• 洛伊德镜像效应导致散射强度在无边界时的预期值附近产生振荡，尤其在低频时对空气填充圆柱体表现明显。