[發明專利]一種基于守恒迎風格式獲取參量陣聲場空間分布的方法

有效

• 申請號: 201410298902.8
• 申請日: 2014-06-26
• 公開（公告）號: CN104077479B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 楊德森;李中政;方爾正
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于參量陣聲場領域，具體涉及一種基于守恒迎風格式獲取參量陣聲場空間分布的方法。

背景技術

1962年，Peter?Westerwelt首先給出了聲學參量陣(parametric?array)的最初模型。1965年，H.O.Berkay給出了聲學參量陣的更精確和完整的理論解釋。不管是Westerwelt還是Berktay理論模型，在它們的推導過程中都做了很多近似，建立的物理模型不夠精確。上個世紀70年代，Khokhlov、Zabolotskaya和Kuznetsov三位學者綜合考慮原波傳播過程中的非線性、吸收以及衍射效應，提供了一個更加精確的聲學參量陣模型——KZK方程。該方程避免了利用體積陣模型對虛源求體積積分，是研究參量陣聲場空間分布最有力的工具之一。

目前，眾多求解KZK方程的數值模擬模型中，最為流行的是時域有限差分(time?domain?method)、頻域有限差分(frequency?domain?method)。采用頻域方法對KZK方程進行數值模擬，非線性部分形象、直觀的體現了各階諧波的耦合，但是聲場獲取時間正比于N²(N為最大截斷諧波階次，衍射、吸收項的數值模擬時間正比于N)，故計算量非常大。程琴琴提出一種并行計算模型，對計算區域的進行徑向空間分層，利用數個PC機、計算機網絡和MPI并行編程分別計算子區域聲場并最終求出整個聲場。這種算法可以明顯提高計算效率，但需要使用多臺計算機才能實現并行運算，并且對計算機之間的協同有較高的要求。先永利對程琴琴等的算法加以改進，在一臺PC機上設計了一套并行運算軟件，采用多線程并行計算以提高計算效率，該算法需要多個處理器并發地執行計算步驟，要求聲場計算規模和分割線程數能較好的匹配。本文借鑒時域求解的算子分離思想，將KZK理論模型分解為線性(包含衍射、吸收效應)和非線性(包含非線性效應)兩部分，其中線性部分的求解采用后向隱式有限差分(IBFD)和Crank-Nicolsion有限差分(CNFD)相結合的方法，在頻域進行；非線性部分則采用守恒型迎風格式積分求解，最后將兩部分進行整合，即可得到參量陣的聲場空間分布特性。

本發明基于KZK方程時頻域結合的數值模擬方法，提出將守恒型迎風格式引入到參量陣非線性聲場空間分布獲取方法。該方法一方面利用守恒型迎風格式提高計算效率，使得計算量得到較大的減小。另一方面，形象直觀地顯示出參量陣聲場分布情況，更加準確、全面地反映聲場性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種提高軸向聲場步進計算效率的提高軸向聲場步進計算效率。

本發明的目的是這樣實現的：

(1)讀取參量陣聲源的幾何尺度、軸對稱信息、原波頻率以及傳播媒介的聲速、密度和非線性系數，根據基礎數據獲取能匹配參量陣陣元形狀的聲場計算區域，進行離散網格化；

(2)讀取參量陣發射系統的初始條件：軸向第一層網格各節點的源點頻域信號；

(3)通過傅里葉反變換將軸向第一層網格各節點的源點頻域信號變換為源點時域信號；

(4)將源點時域信號限定在一個周期內，施加周期性邊界條件，獲取第一層網格各節點的源點時域信號時間間隔Δt、軸向步長Δz以及軸積分步數n；

(5)利用描述參量陣非線性效應的無粘滯Burgers方程，通過守恒型迎風格式獲取軸向第二層網格各節點的源點時域信號；

(6)將第二層網格各節點的源點時域信號通過快速傅里葉變換成源點頻域信號；

(7)將第二層網格各節點的源點頻域信號作為第一層網格的初始條件，利用描述參量陣聲場傳播衍射、吸收效應的理論模型，獲取第二層網格的源點頻域信號；

(8)重復步驟(3)到(7)，以步長dz進行軸向聲場逐步推演，獲取參量陣聲場空間分布。

本發明的有益效果是：一方面利用時域求解KZK方程的算子分離思想，將KZK方程分為線性部分和非線性部分，并利用守恒型迎風格式提高計算效率。另一方面，對計算區域的網格劃分更為規則、簡單、可對參量陣聲場可視化研究中的能量累積過程、軸向傳播聲場性能，徑向指向性等方面有更為直觀、形象的了解，為參量陣的進一步應用提供相應的理論指導。

附圖說明

圖1利用守恒迎風格式獲取參量陣聲場的流程圖；

圖2參量陣有限計算區域的網格劃分模型示意圖；

圖3a原波f₁＝43kHz的聲壓幅值空間分布特性頻域有限差分圖；

圖3b原波f₁＝43kHz的聲壓幅值空間分布特性守恒型迎風格式圖；