一种声学斗篷的隐身评估方法

技术领域

本发明属于空气中或者水中声学斗篷的隐身效果评估技术，尤其是在波长及其短的超声波的情况下声学斗篷的隐身评估方法。

背景技术

斗篷(cloak)是实现隐身的重要手段，所谓隐身是指能够遮蔽目标物，使其免受探测波 (声波或者电磁波)发现，声学斗篷就是使物体在声波中实现隐身。声学斗篷在实际中有着重要的应用，例如潜水艇避免被声呐探测，当前学界也对声学斗篷的实现方法进行了大量的研究，这其中包括变换声学隐身斗篷、散射波消除法声学斗篷以及超材料声学斗篷等。无论是何种设计方法，要想推广到实际中，都必须经过实验验证该方法的可行性，然而，由于声学斗篷实验十分难以开展，目前学界许多已经发表的论文研究都仅仅有数值模拟却缺乏实验评估。目前仅有的实验评估主要分为以下几类：

1、声场扫描法

2、散射截面法

3、γ检测法

其中P

发明内容

为了解决上述声学斗篷实验中存在的各种困难，本发明提供了一种基于声成像理论的声学斗篷智能评估方法。该方法既不需要扫描整个声场，也不需要声学斗篷所处声场的远场信息即可对声学斗篷的隐身效果做出定量评估。

本发明提供一种声学斗篷的隐身评估方法，其步骤包括：

1)首先确定待测点位置坐标；

2)测量背景声场，即障碍物和隐身斗篷都不放入声场中，声源发出柱面波或平面波(本例中为柱面波，平面波的情况也同样可以应用本发明)，同步采集每一个待测点处的背景声压值

3)将斗篷与障碍物同时放入声场，声源发出柱面波或平面波，穿过声学斗篷遮蔽的障碍物区域，同步采集每一个待测点处的总声压值p

4)每一个位置点处的总声压值p

5)将步骤3)中每一个位置坐标点

6)计向量

7)计算权重向量因子。在声成像理论中，权重向量由格林函数定义。自由场中二维的格林函数可以写为：

其中k

其中||*||表示矩阵的二范数。

8)有了权重因子以及协方差矩阵，计算目标成像平面的每一个点处声成像结果：

9)将每一个点处的声成像结果b(k

本发明涉及的成像平面，是指想要观测的平面，比如，观测一个3cm×3cm范围内的声源分布，本发明将这个3cm×3cm区域划分为100×100网格点，当然也可以划分为 1000×1000网格点，这样G

本发明用实际中测到的数据信息，去分析平面的声源，假设声源位于成像平面的该网格点处，则从该网格点处发射的声波到达待测点的信息就可以用权重因子来表示，b(k

理论上来说，本发明可以对任意频率任意波长范围内的声学斗篷实验进行评估，只是在长波长的情况下(波长11cm以上)会有成像分辨率的问题，无法分辨不同散射声源的具体分布位置，但仍然可以得到散射声源的强度，因此仍可来用来确定声学斗篷的隐身效果。而在其他情况下，可以得到不同散射声源的位置与相应的声源强度，见附图2的结果，定量且直观的对声学斗篷的隐身效果进行评估。

相比于之前通用的声场扫描方法，本专利提出的方法在确定有限点的位置坐标(本例中为100个点)，只需要采集这些点位置处的声压信息而不需要得到全场即可完成对声学斗篷隐身效果的评估，这极大的缩短了时间，降低了复杂度。另外，本发明无需远场信息，近场信息即可得到正确结果，为实现声学斗篷的便捷实验提供了可能性。

附图说明

图1为本发明具体实施流程示意图，其中(a)图为采集每一个点处的背景声场

图2为数值模拟中使用本发明方法对现有的声学斗篷的效果评估的结果，其中(a)图为仅有障碍物圆柱的结果，(b)图为理论上完美声学斗篷的结果，(c)图为便于实验而设计的散射消除声学斗篷遮蔽下的结果，其中(c)图中散射声源最大强度为-15dB；

图3为数值模拟中使用γ检测法对与图二相同的声学斗篷的效果评估的结果图，其中(a) 图为沿同一波面的声压图，(b)图为仿真的γ检测法结果。

图4为在实验中使用本发明评估方法对加工制造出来的声学斗篷进行评估的结果，其中 (a)图为仅有障碍物圆柱的结果，(b)图为圆柱在加工的散射消除声学斗篷遮蔽下的结果。

图5为在实验中使用γ检测法对同样的声学斗篷进行评估的结果，其中(a)图为沿同一波面的声压图，(b)图为实验的γ检测法结果。

具体实施方式

图1展示了本发明的流程图。首先，需要确定待测位置坐标。本例中采集了距离障碍物 (本例中为圆柱)中心半径5cm处均匀分布的100个点的声压值，即将圆柱作为障碍物，在距离圆柱中心5cm的圆处均匀采了100个点作为待测位置坐标，其中第i个点的坐标为

在数值仿真中，散射场信息可以在仿真软件中直接提取出，所以在仿真中可以直接跳到散射声场信息

将上述得到的散射声压信息在Matlab软件里进行处理，直接利用其FFT函数对每个点的散射声压直接进行傅里叶变换，得到

随后需要计算权重因子，由权重向量的公式可知，我们首先需要计算

这里x，y为网格点的坐标，array

在Matlab里使用语句

Matlab软件里可以用norm来实现范数函数，100个点权重因子组成了该网格点的100×权重向量，则最后该网格点的声成像结果

上式为

图2展示了使用本专利提出的基于波束成形理论的声学斗篷的新方法来评估声学斗篷效果的数值模拟结果图，图2中白色虚线表示圆柱的位置，(c)图白色块状物代表散射消除声学斗篷的结构形状。在本方法中，将仅有圆柱的情况下散射声源的强度归为0dB。图2(b)显示在理论上完美声学斗篷的遮蔽下，无散射声源扰动声场，达到了隐身的目的。图2(c)结果显示，散射消除声学斗篷降低了散射声源大约15dB。

图3展示了使用γ检测法对声学斗篷的数值仿真结果进行评估，图3(a)为沿声学斗篷出口处的同一波面的声压变化图，横坐标为Y坐标值，坐标轴与图1中所示坐标轴相同，纵坐标为声压相对值，将声压对背景声压进行了归一化，该图显示出完美声学斗篷能够完全遮蔽圆柱，而散射消除声学斗篷损失了一定的隐身效果，这与本发明提出的新方法得到的结论是一致的。图(b)为仅有圆柱和圆柱在散射消除声学斗篷遮蔽情况下的Γ值，其中的

图4展示了使用本专利提出的新方法来评估声学斗篷效果的实验结果图。图4(a)为仅有圆柱的评估结果，图4(b)为圆柱在加工的散射消除声学斗篷遮蔽下的结果，图4中散射声源的分布与仿真结果比较类似，结果显示加工出来的声学斗篷降低了散射声源大约4dB。加工制造出来的斗篷在实验中的隐身效果较差，这是因为斗篷在加工中不可避免会出现误差，并且实际实验中各种因素的影响，比如实际声速的差异等，导致了该斗篷损失了较大的隐身效果。

图5展示了使用γ检测法对实验进行分析的结果，与数值仿真结果类似，图5(a)为沿声学斗篷出口处的同一波面的声压变化图，仍然以背景声场为基准做了归一化，从图5(a)可以看出，同一波阵面上，声波抖动很大，加工出来的声学斗篷损失了隐身效果，图5(b)展示了两种不同情况的Γ值，与本发明提出的方法得到的结果类似，该隐身斗篷的隐身效果为2dB。

参考文献

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