● 摘要
论文研究了水下目标声波散射的数值模拟技术，论述了非局域阻抗矩阵的概念。研究了管道声学有限元(FEM)的数值方法—声-固耦合的有限元方法，实验验证了粘弹性板的透射阻抗非局域性。研究了水下目标非局域阻抗边界的计算方法以及用非局域阻抗边界进行了弹性与粘弹性耦合球壳的回波目标强度(TS)值计算。对局域和非局域声阻抗边界下复合球壳的TS值进行了对比研究，分析了局域阻抗边界用于粘弹性材料声波散射计算的局限性。主要包括以下内容：
回顾了用于声波散射计算的边界元(BEM)数值方法，此方法与Chief方法和极坐标变换法相结合，可以解决数值非唯一性和积分奇异性问题。讨论了用边界元法计算声波散射所用的阻抗边界条件—局域阻抗边界和非局域阻抗边界，指出了水下结构通常呈现非局域阻抗边界。用给定局域阻抗比圆球的散射声场数值解和解析解对比，实现了对声学BEM的验证。
在管道一维声场中可以求解结构的局域阻抗。基于Ansys软件的声学FEM及声-固耦合FEM在管道中得到了初步验证并用于粘弹性试样的声学参数计算。用多种方法计算了材料的声阻抗，几种计算结果对比说明了声阻抗是材料固有属性。在管道中对水介质进行了无反射边界条件的设计，分析了无反射边界下声场的性质，并用三层介质理论的声压透射、反射系数解析解进一步验证了声-固耦合FEM。在已验证的管内声-固耦合FEM基础上对弹性结构的局域声学特性进行了研究，推导了弹性和粘弹性耦合板的结构有限元方程，对复合结构的局域声学特性进行了研究，并用管内得到的局域阻抗对球壳进行了声散射计算。
阐述了透射阻抗矩阵的概念，说明了阻抗矩阵和频响函数矩阵之间的关系。阐明了局域和非局域阻抗在阻抗矩阵的表现形式。通过对粘弹性板的透射频响实验和数值计算，验证了非局域阻抗的存在和有限元数值方法的正确性。在实验数据基础上对使用粘弹性谱仪方法测量得出的粘弹性材料参数进行了修正，用修正后的材料参数进行粘弹性板频响函数数值计算的结果更符合实验值。并分别用修正前/后的粘弹性材料参数在管道中对粘弹性板进行了声压反射系数计算，两者差距之大说明了得到真实材料参数的重要性。
详细阐述了用于散射声场计算的非局域阻抗边界的求解方法，用此方法对弹性球壳的非局域阻抗边界进行了计算，并用BEM方法对其进行散射声场的计算，通过和流-固耦合方法以及解析方法解的比较对其进行验证，并说明了非局域声阻抗是结构的固有性质。对复合球壳的非局域阻抗边界及其对应的散射声场进行了计算，分析了不同工况下球壳的散射声压指向性分布及粘弹性材料参数对球壳回波目标强度的影响，并指出了三种抑制回波目标强度的途径。
将局域和非局域阻抗对应的球壳声散射结果进行对比，分析了局域阻抗用于水下结构声散射计算的局限性。