使用波叠加-有限元-PML联合计算浅海下体目标辐射噪声的方法技术

本发明专利技术提供一种使用波叠加

【技术实现步骤摘要】
使用波叠加
‑
有限元
‑
PML联合计算浅海下体目标辐射噪声的方法


[0001]本专利技术涉及浅海环境声辐射的计算方法，具体涉及一种使用波叠加
‑
有限元
‑
PML联合计算浅海下体目标辐射噪声的方法，属于数据处理


技术介绍

[0002]波叠加法在研究声学中体积声源辐射声场方面有很多例子，类似球形声源，圆柱声源的辐射问题，通过波叠加法求解得到的球形声源及圆柱声源的辐射声压和解析解吻合的很好；但是将波叠加法运用于海洋声学中的研究相对较少，在浅海地震波场领域更是鲜有研究。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：针对浅海中体积声源诱发的远场声辐射频域预报问题，文中提出一种基于波叠加
‑
有限元联合法的快速预报方法。选取典型的体积声源—球形声源作为研究对象，将球形声源的辐射声场等效为其对称轴上若干等效点源辐射声场的线性叠加，采用有限元法建立球形声源、浅海环境、边界条件的联合动力学模型，计算相应源强下每个等效点源诱发的声场，将其线性叠加快速求得球形声源诱发的远场声辐射。
[0004]技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提供的使用波叠加
‑
有限元
‑
PML联合计算浅海下体目标辐射噪声的方法，包括以下步骤：
[0005]步骤1，基于波叠加原理，将球形声源的辐射声场等效为其对称轴上若干等效点源辐射声场的线性叠加；
[0006]步骤2，根据与球形声源表面上等效点源数量一致的场点振速匹配原则，确定等效点源的强度；
[0007]步骤3，采用有限元法建立球形声源、浅海环境、边界条件的联合动力学模型，计算相应源强下每个等效点源诱发的声压；
[0008]步骤4，将步骤3计算结果线性叠加，快速求得球形声源诱发的声辐射。
[0009]有益效果：从计算精度和效率两个方面，比较本专利技术方法和有限元法，分别计算海水中近、远场处的频域声压级，本专利技术方法具有更高的计算精度和效率。
附图说明
[0010]图1是球形声源辐射声场的波叠加法求解示意；
[0011]图2是海面为压力释放边界时的等效源链；
[0012]图3是PML建模原理；
[0013]图4是有限元模型的建立；
[0014]图5是有限元模型网格的划分；
[0015]图6是球形声源处网格的局部细化；
[0016]图7是两种方法求解的硬海底时脉动球和摆动球激发的海水中近、远场频域声压级对比。
具体实施方式
[0017]实施例1：
[0018]1.波叠加法求解
[0019]波叠加法是在浅海波导中，将球形声源的辐射声场等效为内部若干点源辐射声场的线性叠加，如图1所示，r轴、z轴分别表示水平距离向和垂直向，R为球形声源的半径，将个数为n的场点设置在球形声源外圆周上，以空心点表示，个数为N的等效源点设置在球形声源对称轴上，如实心点所示，为了区分场点和源点，令第l个场点和源点的标号分别为r
l
与N
l
，θ
l
为第l个场点矢量与r轴的夹角，球心的垂直坐标为z0。
[0020]球形声源上场点r处声场p(r)看做是其对称轴上所有等效源辐射声场的线性叠加，其表达式为：
[0021][0022]式中：i为模为
‑
1的虚数，ρ为球形声源所在介质中的密度，c为球形声源所在介质中的声速，k＝2πf/c为波数，f为声波频率，r为对应场点到坐标原点O的距离，r
l
为第l个等效源到坐标原点O的距离，s(r
l
)为等效声源分布在处的等效源强度，G(r,r
l
)为声场Green函数，求解浅海海底地震波场，选取海底为弹性介质的浅海波导中的Green函数，在计算G(r,r
l
)时，虚源通常只取前四阶即可，其表达式为:
[0023][0024]式中的R
01
、R
02
、R
03
、R
04
的计算式分别为：
[0025][0026]式(2.1.2)和式(2.1.3)中，r'为场点到源点的水平距离，m为镜像反射的次数，γ1为海面反射系数，通常考虑海面为压力释放边界，故γ1通常为
‑
1；γ为海底反射系数，h为海深，h1，h2为接收点到海面和海底的距离，如图2所示。
[0027]式(2.1.3)中的海底反射系数γ通常由海底介质的属性决定，在海底为液态海底的条件下，海底反射系数γ为：
[0028][0029]其中，θ为入射角，α＝ρ1/ρ0，β＝c0/c1。海水与海底介质的速度分别为c0与c1，海水
和海底介质的密度分别为ρ0、ρ1。由此，可以得到弹性海底下浅海声场的Green函数G(r,r
l
)。由声压和振速的关系，可以得到表面振速的表达式为：
[0030][0031]在球形声源表面振速已知的情况下，通过式(2.1.5)得到对应的等效源强度s(r
l
)。
[0032]2.有限元求解
[0033]在求解海底地震波场时，由于没有类似无限大声场中球形声源辐射声压的解析解，故在对其仿真得到的方法进行验证时，需要与计算精度较高以及技术较为成熟的有限元法得到的结果进行对比，下面，对有限元方法的基本原理进行介绍：
[0034]2.1轴对称有限元
[0035]在二维轴对称坐标系中，声源位于海水中时，声学单元控制方程即Helmholtz方程可以表示为如下的形式，即
[0036][0037]式中，p表示单元上的声压。z
s
为等效声源到海底的距离。对声压采用与结构相同的形函数进行插值处理，则每个单元上的声压可以表示为
[0038]p＝N
f
p
ꢀꢀ
(2.2.2)式中，N
f
表示由形函数N(ξ,η)构成的矩阵，表示为
[0039]N
f
＝[N1(ξ,η) N2(ξ,η)
ꢀ…ꢀ
N
m
(ξ,η)]。
[0040]p为单元节点声压矢量，p＝[p
1 p2ꢀ…ꢀ
p
m
]T
。
[0041]类似于结构单元的推导，根据Hamilton原理可知，声学轴对称单元对应的刚度矩阵和质量矩阵可以分别表示为：
[0042][0043][0044]式中，
[0045]矩阵与均采用Guass积分进行计算。进一步将各轴对称结构单元根据各个离散节点进行组合，即可获得海水相应矩阵。最后可得声学有限元方程为：
[0046](K
f
+jωC
f
‑
ω2M
f
)p＝{F
i
}
ꢀꢀ
(2.2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用波叠加
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有限元
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PML联合计算浅海下体目标辐射噪声的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，基于波叠加原理，将球形声源的辐射声场等效为其对称轴上若干等效点源辐射声场的线性叠加；步骤2，根据与球形声源表面上等效点源数量一致的场点振速匹配原则，确定等效点源的强度；步骤3，采用有限元法建立球形声源、浅海环境、边界条件的联合动力学模型，计算相应源强下每个等效点源诱发的声压；步骤4，将步骤3计算结果线性叠加，快速求得球形声源诱发的声辐射。2.根据权利要求1所述的使用波叠加
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有限元
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PML联合计算浅海下体目标辐射噪声的方法，其特征在于：所述步骤1...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐宇航，李海超，刘宝，王雪仁，高晟耀，张浩，彭子龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军九二五七八部队，
类型：发明
国别省市：