声透镜波束形成技术

    1 引 言

    声透镜波束形成技术用于高分辨率成像声纳,以其电子线路简单、能耗低, 近来受到国外的普遍关注[1,2]。声透镜的设计国外通常借助的是光学透镜的设计软件。但是声波波长远远大于光波波长, 射线法模拟声透镜成像远不如模拟光学透镜成像精确有效, 一般的光学设计软件模拟的结果并不能完全反映声透镜形成的声场。波束的旁瓣是光学透镜设计软件无法模拟计算的, 声透镜的焦深用几何光学的像差理论分析也是不准确的, 不同入射角的声波穿过透镜后的相对声压强度也不能用光度学方法准确模拟。因此开发能够准确模拟声波穿过透镜后形成的声场的计算程序, 对于声透镜的设计是非常重要的。对于复杂透镜系统的焦平面附近波场的计算, 通常都是采用混合法实现[3]。所谓的混合法, 即从波源后一个透镜曲面开始, 采用波动学原理计算。在全部声传播过程中都用波动声学原理计算, 用数学方法解决并无原则上的困难, 但处理如此复杂的边界条件确显得如此低效, 并且分析和计算表明相对于混合法也没有很大精度的改善[3]。本文分析了研制的声线追迹程序和声场分析程序计算的声透镜及透镜组形成的波束的特性, 给出了实际研制的声透镜的实验结果以及理论和实验相比较的结果。

    2 声透镜波束形成和仿真理论

    声透镜波束形成原理跟光学透镜成像原理一样, 因为透镜材料与周围介质材料的波速不同, 导致穿过透镜的各平行声线的传播方向发生不同的改变而在某一个位置聚焦, 形成了窄波束。不同入射角的平行声线聚焦的位置不同, 因而可以同时形成多个波束。

    声线追迹与光线追迹的方法是完全一样的, 可以用来大致分析透镜系统的聚焦特性, 为混合法计算透镜像方声场时确定一个大致的计算范围。但是光学设计软件普遍考虑的是空气和玻璃两种介质,介质材料的光速总是小于空气中的光速的。虽然有玻璃库可以自己添加玻璃, 但是玻璃的参数是受限光学知识背景要求较高, 用于声透镜设计有其不方便之处, 因此开发了声线追迹软件, 用于粗算各个角度的入射声波的不同聚焦位置。精确的声场计算则采用开发的混合计算软件。混合法计算时需要综合考虑透镜材料的声吸收、透镜的孔径效应对不同入射角的声线影响等因素。

    3 声透镜波束形成仿真结果

    图 1~图 5 分别是仿真的单透镜及 3 元透镜组的声线追迹图和像方焦平面附近不同距离处的波束形成图。

    4 声透镜波束形成试验