基于声隐身技术的水下无人系统防护功能材料研

1 概述

随着军事科学技术的快速发展，武器装备的发展呈现出信息化、精确化、隐身化和无人化等特点。水下无人系统(Unmanned underwater system，UUS)是指具有自主航行能力，可完成海洋环境信息获取、固定或移动目标的识别、定位、跟踪以及其它任务的各类无人水下航行器、水下无人作战平台及其所必要的控制设备、网络和人员的总称。UUS由于其便于执行艰险任务，降低人员战场威胁等诸多优点，被广泛研制并投入实战应用。

UUS作为认识、探索、开发和利用海洋的重要手段，已成功应用于民用和军用领域，特别是水下无人作战系统。UUS也是新概念、新技术和新材料应用最广泛的领域[1]。

尽管UUS极大地扩展了海军的作战能力，但其仍旧面临两种主要的威胁：即被敌方声纳发现和被敌方水中兵器攻击的威胁，因此强化声隐身和抗水下爆炸防护性能，是提高UUS生存能力的关键因素。在声隐身防护方面，声纳则是一种重要的反制工具，作为声纳换能器的组成部分压电材料的性能决定了反制能力的精度和方式。

隐身技术自二战初期出现萌芽以来，到20世纪70、80年代产生了重大的突破，并逐步应用于军事领域；进入90年代，隐身技术的应用几乎充斥所有武器装备领域并发挥着越来越大的作用。防御是现代战争不可缺少的一项，防护性能是UUS的生存能力的重要体现。

智能材料与结构是近年来较热门的研究方向，其中智能结构是将传感元件、驱动元件和控制系统结合或融合进基体材料中而形成的一种材料系统，它能够感知外界环境变化，并对这种变化做出主动响应，因此本文在声隐身防护方面提出采用新型压电材料制作的高精度换能器，并就该材料的特性提出以换能器阵列的形式来实现主动防护的概念。在抗水下爆炸防护方面，则提出一种新的冲击波防护概念，并同时对该型功能梯度材料的原理和设计提出了探索性的研究思路。

2 声学原理

无论声纳探测，还是水下爆炸产生的冲击波，均是以声波的形式在水中传播，因此首先阐述空间任意方向声波斜入射时的反射与折射原理[2]。

当声波斜入射时，如图1所示。

图1 声传递示意图

由声波反射与折射定律可知：

式中，θi、θr、θt分别为入射角、反射角、折射角，c1、c2分别为声速在媒质I、II的传播速度k1，k2分别为声波在媒质I、II的波数。

由文献可得：

式中，rp为反射波声压与入射波声压之比，tp为透射波声压与入射波声压之比，ρ1、ρ2分别为媒质I、II的密度，m为媒质II对媒质I的密度比，n为媒质II对媒质I的折射率，其式如式(3)所示。

由式2可知，当声波入射角θi满足即入射角为：

此时，rp=0，tp=1，即声波以θi0入射时不会出现反射，声波全部透进媒质II中。当然，并不是对任意两种媒质都可以出现全透射现象，由式(4)可知，只有从该式解得实数的θi0时，才会发生全透射，即必须满足条件rp=0，tp=1，解不等式得：

或

前者相应于ρ2c2>ρ1c1，同时c1>c2的情况；后者相应于ρ2c2<ρ1c1，同时c1>c2的情况。

当媒质II的声速比媒质I的声速小很多，即c2<

此外，相关文献[3]研究表明，声波正入射透声材料时的透射系数tp为：

其中

式中，ρ1、c1分别为水的密度及声波传播速度；D为材料层厚度；K2=2π/λ2，λ2为声波通过材料层的波长。

从式(6)可以看出，声波通过材料层的多少，不仅与材料层和水的特性阻抗有关，还同材料层的厚度D与其中声波的传播波长之比D/λ2有关。

从声学角度来看，透声材料的特性阻抗ρ2c2应尽可能与水的特性阻抗ρ1c1相匹配，此时τp=1，声波由海水进入材料层全通过，无反射，透声效果最佳。但通常情况下透声材料与水的特性阻抗不完全相同，由式(6)可知，当K2D<<1时，cosK2D≈1，sinK2D≈0，τp≈1。当材料层厚度与层中的波长λ2相比很小时，声波视为全透射，因此两种媒质的特性阻抗不全匹配时，透声层越薄，透声效果越好。

3 声隐身方式设计

UUS声隐身有两种方式，一种为主动隐身方式，另一种为被动隐身方式，被动隐身方式为UUS外表面敷设功能材料，使材料的特征阻抗与声波特征阻抗一致，即将敌方声纳信号吸收耗散，避免产生回波，以达到声隐身目的。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/qikandaodu/2021/0426/781.html