任意形状等厚度纯五模材料隐身衣参数设计方法及系统

技术领域

本发明属于声学隐身技术领域，具体涉及一种任意形状等厚度纯五模材料隐身衣参数设计方法及系统。

背景技术

五模隐身衣是由一种模量矩阵各向异性的五模材料设计的声学覆盖层，可引导声波绕过被隐身物体，具有宽频特性。理论上，五模材料隐身衣可用于任意形状物体。然而，当要求密度为标量时(即密度具有各向同性特性，该要求对于隐身衣的物理实现具有重要意义)，对于除圆柱形、球形等特殊形状之外的一般形状，纯五模隐身衣尚无易用的设计方法，制约了五模隐身衣技术的发展和应用推广。

公开号为CN110223666A的发明专利公开了一种任意曲面形状薄壳型声学超结构设计方法，采用薄壳结构，壳的曲面构型根据实际需要确定，可以选择圆柱壳、旋转壳或者不规则曲面壳，理论上够适应复杂空间曲面形状要求，但是其需要分区设计，很难满足密度各向同性特性，而且只能使每个单独的分区结构的隔声性能满足预期要求，不能进行整体隔声性能优化，整体设计难度较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种任意形状等厚度纯五模材料隐身衣参数设计方法及系统，用于解决现有技术无法在满足密度各向同性特性下设计任意形状的声学隐身衣的问题。

本发明第一方面，公开了一种任意形状等厚度纯五模材料隐身衣参数设计方法，所述方法包括：

获取被隐身物体的几何形状数据，基于被隐身物体的几何形状数据计算被隐身物体的外边界的最小曲率半径；

基于被隐身物体的几何形状数据建立被隐身物体的等位线族；

根据隐身衣厚度和隐身衣隐身效应系数的要求构造单调函数，基于单调函数建立被隐身物体的实空间到虚空间的映射模型；

基于实空间到虚空间的映射模型构造满足平衡态的方程，并计算隐身衣的设计参数。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述计算被隐身物体的外边界的最小曲率半径具体包括：

设被隐身物体为ω，被隐身物体外边界为

β

其中，β

在以上技术方案的基础上，优选的，所述建立被隐身物体的等位线族具体包括：

令α(x,y)表示任意一点(x,y)到物体边界

等位线族定义为：

{α(x,y)＝C}

其中，C称为等位线的特征值，即代表一条等位线与物体边界

在以上技术方案的基础上，优选的，所述根据隐身衣厚度和隐身衣隐身效应系数的要求构造单调函数具体包括：

设隐身衣厚度为d

其中，t代表自变量。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述隐身衣隐身效应系数的约束条件为：

d

其中，β

在以上技术方案的基础上，优选的，所述基于单调函数建立被隐身物体的实空间到虚空间的映射具体包括：

将被隐身物体的原始边界记为B，将被隐身物体包裹隐身衣后的边界记为B

实空间Z

对于实空间Z

在以上技术方案的基础上，优选的，所述计算隐身衣的设计参数具体包括：

计算隐身衣的密度ρ，公式为：

计算隐身衣的弹性模量张量T，公式为：

其中，矩阵

本发明第二方面，公开了一种任意形状等厚度纯五模材料隐身衣参数设计系统，所述系统包括：

曲率半径计算模块：用于获取被隐身物体的几何形状数据，基于被隐身物体的几何形状数据计算被隐身物体的外边界的最小曲率半径；

等位线族建立模块：用于基于被隐身物体的几何形状数据建立被隐身物体的等位线族；

空间映射建立模块：用于根据隐身衣厚度和隐身衣隐身效应系数的要求构造单调函数，基于单调函数建立被隐身物体的实空间到虚空间的映射模型；

设计参数计算模块：用于基于实空间到虚空间的映射构造满足平衡态的方程，并计算隐身衣的设计参数。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1)本发明通过被隐身物体的几何形状数据计算被隐身物体的外边界的最小曲率半径，建立被隐身物体的等位线族进行隐身衣参数设计，该设计方法具有通用性，可设计任意形状的隐身衣。

2)本发明根据被隐身物体的隐身衣厚度和隐身衣隐身效应系数的要求构造单调函数，基于单调函数建立实空间到虚空间的映射模型，能保证所设计的隐身衣具有标量密度，易于物理实现，且该隐身衣为全向隐身衣，各个方向均具有良好的隐身性能。

3)本发明所设计的单调函数能使所设计的隐身衣具有纯五模力学特性，具有均匀厚度，且厚度可任意调节，同时具有宽频特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的任意形状等厚度纯五模材料隐身衣参数设计方法；

图2为本发明实施例提供的立实空间Z

图3为本发明实施例提供的被隐身物体示例；

图4为图3的被隐身物体敷设隐身衣之前在横向入射声波作用下的声压场；

图5图3的为被隐身物体敷设隐身衣之后在横向入射声波作用下的声压场。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提出了一种任意形状等厚度纯五模材料隐身衣参数设计方法，所述方法包括：

S1、获取被隐身物体的几何形状数据，基于被隐身物体的几何形状数据计算被隐身物体的外边界的最小曲率半径。

被隐身物体几何形状影响往往会声学隐身衣的散射特性、吸收特性及传播特性，被隐身物体的外边界上的曲率反映了被隐身物体的外边界在给定点处的弯曲程度，因此曲率半径也影响隐身衣的隐身效应。本发明通过获取任意形状的被隐身物体的几何形状来数据进行隐身衣参数设计，可以设计出任意形状的隐身衣。

通过被隐身物体的几何形状或边缘轮廓来确定被隐身物体的外边界曲线，使用曲线微分几何的公式计算外边界曲线上每个点的曲率，然后遍历外边界曲线上的所有点，找到具有最小曲率的点。

具体的，设被隐身物体为ω，被隐身物体外边界为

β

其中，β

S2、基于被隐身物体的几何形状数据建立被隐身物体的等位线族。

建立被隐身物体的等位线族，可以用来描述任意形状的隐身物体的几何外形，因此可以用于任意形状的隐身衣设计。等位线族是指在物体表面上连接具有相同属性或特征的点的曲线集合。

令α(x,y)表示空间内种任意一点P(x,y)到被隐身物体边界

代表距离值，α>0表示P为物体外部的点，α＝0表示P为物体边界/>

{α(x,y)＝C} (3)

其中，C称为等位线的特征值，一条等位线就是与物体边界

本发明通过计算被隐身物体的外边界的最小曲率半径，建立被隐身物体的等位线族进行隐身衣参数设计，该设计方法具有通用性，可设计任意形状的隐身衣。

S3、根据被隐身物体的隐身衣厚度和隐身衣隐身效应系数的要求构造单调函数，基于单调函数建立被隐身物体的实空间到虚空间的映射模型。

设隐身衣厚度为d

d

要建立实空间到虚空间的映射，首先需要构造一个单调函数f(t)，满足被隐身物体的隐身衣厚度和隐身衣隐身效应系数的要求：

f(d

本发明所设计的单调函数f(t)的通用公式为：

其中，t代表自变量。

本发明所设计的单调函数能使所设计的隐身衣具有纯五模力学特性，具有均匀厚度，且厚度可任意调节。

然后基于单调函数f建立实空间Z

对于实空间Z

Q＝χ(P)(5)

其中，点P与点Q的连线与物体边界B垂直，且点P、Q所在的等位线的特征值α(P)、α(Q)满足：

α(Q)＝f(α(P))(6)

S4、基于实空间到虚空间的映射模型构造满足平衡态的方程，并求解隐身衣的设计参数。

根据五模变换声学理论，通过建立实空间到虚空间的映射模型，并构造满足平衡态方程div(S)＝0的特征矩阵S，可以设计五模隐身衣。本发明基于这一原理进行隐身衣参数设计，所要计算的参数包括隐身衣密度和弹性模量张量。

令矩阵

其中，F为映射模型χ的Jacobi矩阵

计算满足平衡态的方程div(S)＝0的特征矩阵S：

其中，detF为矩阵F的行列式，且F和S均为对称矩阵。

则隐身衣密度ρ的计算公式推导为：

其中，F

由以上公式可知，本发明所设计的隐身衣密度ρ为标量，而非张量，因此相较于其他现有的隐身衣参数设计方法，本发明的标量密度更易于物理实现，且该方法设计的隐身衣为全向隐身衣，各个方向均具有良好的隐身性能。

计算弹性模量张量T的公式为：

其中，

基于所求解的隐身衣的设计参数既可设计任意形状的隐身衣。

下面结合具体实验数据进行隐身衣参数设计和性能仿真。

如图3所示为隐身衣敷设对象示例，在该被隐身物体的中心点为原点建立笛卡尔坐标系oxy，该被隐身物体边界

首先，计算被隐身物体的曲率。

计算可知，被隐身物体边界的最小曲率半径为：

β

其次，建立等位线族。

令

等位线族定义为曲线族：

{α(x,y)＝C}

然后，建立实空间Z

令隐身衣厚度d

最后进行性能仿真。在声学领域，通常用散射系数表征物体散射特性的强弱，散射系数为散射声能与入射声能的比值。本发明即通过物体敷设隐身衣前后的散射系数变化来验证本发明的方法的技术效果。

图4给出了图3所示的被隐身物体敷设隐身衣之前在横向入射声波作用下的声压场(3kHz)，可看到明显的散射现象。通过定量计算，得到其散射系数为1.9。图5给出了图3所示的被隐身物体敷设隐身衣之后的声压场(3kHz)，可以明显看到，由于敷设了隐身衣，物体的散射效应被抑制。通过定量计算，敷设隐身衣后其散射系数为0.26。比较可知，相当于敷设隐身衣后整体厚度增加了一倍，散射能量减少了45.3％的散射能量，证明了本发明所提出的方法的有效性。

在以上方法实施例的基础上，本发明还提出一种任意形状等厚度纯五模材料隐身衣参数设计系统，所述系统包括：

曲率半径计算模块：用于获取被隐身物体的几何形状，基于被隐身物体的几何形状计算被隐身物体的外边界的最小曲率半径；

等位线族建立模块：用于基于被隐身物体的几何形状建立被隐身物体的等位线族；

空间映射建立模块：用于根据隐身衣厚度和隐身衣隐身效应系数的要求构造单调函数，基于单调函数建立实空间到虚空间的映射模型；

设计参数计算模块：用于基于实空间到虚空间的映射模型构造满足平衡态的方程，并计算隐身衣的设计参数。

以上系统实施例和方法实施例是一一对应的，系统实施例简述之处请参阅方法实施例即可。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以分布到多个网络单元上。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。