[發(fā)明專利]一種淺海信道下三維結(jié)構(gòu)聲源輻射聲場預(yù)報(bào)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710722273.0
• 申請日: 2017-08-22
• 公開（公告）號: CN107576388B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 商德江;錢治文;劉永偉;肖妍;張超
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00;G01V1/38
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本發(fā)明公開了一種淺海信道下三維結(jié)構(gòu)聲源輻射聲場預(yù)報(bào)方法，屬于聲源輻射聲場預(yù)報(bào)領(lǐng)域，其特征是首先建立淺海信道下結(jié)構(gòu)聲輻射多物理場耦合模型，根據(jù)分析頻段、計(jì)算距離和淺海環(huán)境等因素選擇海洋聲傳播理論建立二維軸對稱下信道傳輸函數(shù)G，通過方位耦合解拓展為信道三維聲場傳輸函數(shù)，然后采用淺海信道多邊界聲場耦合計(jì)算理論建立多物理場耦合模型，計(jì)算獲取淺海信道下受多邊界影響的結(jié)構(gòu)聲源表面速度U，最后利用Fourier波疊加法理論預(yù)報(bào)信道下結(jié)構(gòu)聲源在任意場點(diǎn)聲場信息P。該算法有效解決了目前在研究復(fù)雜淺海信道下三維彈性結(jié)構(gòu)聲源輻射聲場特性時(shí)所遇到的計(jì)算量大、耦合物理場多和信道環(huán)境復(fù)雜等諸多瓶頸性問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及聲源輻射聲場預(yù)報(bào)領(lǐng)域，具體涉及一種淺海信道下三維結(jié)構(gòu)聲源輻射聲場預(yù) 報(bào)方法。

背景技術(shù)

研究彈性結(jié)構(gòu)在淺海信道下的聲輻射特性，對開展?jié)撈鞯妮椛湓肼晫?shí)時(shí)預(yù)報(bào)和噪聲有效 控制具有極其重要的理論和軍事價(jià)值，是以后我國水聲技術(shù)領(lǐng)域長期關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題 之一。

然而目前關(guān)于水下彈性結(jié)構(gòu)多物理場耦合振動與聲輻射問題大多考慮為無界或半空間流 體域下近距離聲場問題，對于淺海信道下彈性結(jié)構(gòu)多物理場耦合聲輻射問題的研究尚不多見。 因?yàn)閭鹘y(tǒng)數(shù)值法(邊界元法、有限元法、統(tǒng)計(jì)能量法等)將受大網(wǎng)格計(jì)算量和復(fù)雜海洋環(huán)境 和多物理場耦合等因素的嚴(yán)重限制，無法開展相關(guān)研究工作；解析解法只能分析部分簡單結(jié) 構(gòu)在簡單信道環(huán)境下的聲場問題，對復(fù)雜淺海信道下任意彈性結(jié)構(gòu)的聲輻射研究也無能為力。 為了解決在研究水下大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)聲源輻射聲場所涉及的瓶頸性問題，Koop-mann引入了聲 場等效計(jì)算的波疊加法，因其適應(yīng)性強(qiáng)和計(jì)算效率高的優(yōu)勢逐步地成為了一種研究彈性結(jié)構(gòu) 聲輻射行之有效的新方法，近年來受到了國內(nèi)學(xué)者極大的關(guān)注，并廣泛應(yīng)用自由場或半空間 環(huán)境下的近場聲全息、噪聲源識別和結(jié)構(gòu)聲輻射預(yù)報(bào)等研究領(lǐng)域。但對于信道下復(fù)雜三維結(jié) 構(gòu)聲源輻射波疊加法研究卻很少涉及，因?yàn)樾诺老陆Y(jié)構(gòu)聲場問題涉及流固耦合、聲殼耦合甚 至聲與復(fù)雜海底邊界的聲邊界耦合等復(fù)雜多物理場耦合環(huán)境，而且淺海信道下更關(guān)注遠(yuǎn)距離 聲輻射問題，在這些耦合條件下采用理論解析解推導(dǎo)難以求解，采用傳統(tǒng)數(shù)值法(有限元、 邊界元和統(tǒng)計(jì)能量法等)因計(jì)算量大而無法建立數(shù)值模型，導(dǎo)致淺海信道下結(jié)構(gòu)表面振動信 息難以獲取。為了避免復(fù)雜結(jié)構(gòu)和淺海環(huán)境的多物理場理論推導(dǎo)問題，也有部分學(xué)者提出直 接忽略結(jié)構(gòu)與流體、結(jié)構(gòu)與環(huán)境的耦合作用，把結(jié)構(gòu)視為點(diǎn)聲源，但這樣直接忽略了結(jié)構(gòu)的 近場聲輻射特性。以上共同導(dǎo)致了無法從理論解和數(shù)值法的角度有效地開展信道下彈性結(jié)構(gòu) 聲輻射研究，但它對淺海中水下結(jié)構(gòu)聲輻射預(yù)報(bào)具有極為重要的意義，急需探索一種新的研 究方法來解決淺海信道中結(jié)構(gòu)聲輻射預(yù)報(bào)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為開展淺海信道環(huán)境下任意彈性結(jié)構(gòu)聲源輻射聲場預(yù)報(bào)提供了一種新方法，有效 地解決傳統(tǒng)數(shù)值法和解析法在研究淺海信道下復(fù)雜彈性結(jié)構(gòu)聲源輻射聲場預(yù)報(bào)時(shí)所遇到的計(jì) 算量大、耦合物理場多和信道環(huán)境復(fù)雜等諸多瓶頸性問題。該發(fā)明通過采用信道傳輸函數(shù)、 波疊加法和多邊界耦合聲場計(jì)算理論聯(lián)合的方法計(jì)算預(yù)報(bào)了淺海信道下彈性結(jié)構(gòu)聲源的輻射 聲場，該發(fā)明方法具有對信道環(huán)境和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)、聲場計(jì)算穩(wěn)定性好、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性高 和計(jì)算效率高等優(yōu)勢，為今后開展淺海信道下彈性結(jié)構(gòu)聲源輻射聲場預(yù)報(bào)提供了一種新的研 究途徑。

本發(fā)明通過聯(lián)合信道傳輸函數(shù)、波疊加法和多邊界耦合聲場計(jì)算理論進(jìn)行信道下結(jié)構(gòu)聲源 輻射聲場特性研究，如圖1所示，其特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)步驟：

一種淺海信道下三維結(jié)構(gòu)聲源輻射聲場預(yù)報(bào)方法，其特征在于,包含以下步驟：

步驟一利用簡正波理論求解等聲速淺海信道下傳輸函數(shù)的表達(dá)式：

其中，r、z分別為軸對稱坐標(biāo)下水平方向和豎直方向，z_s為聲源位置，z為信道任意場 點(diǎn)位置；為漢克函數(shù)，n為簡正波模態(tài)數(shù)，ξ_n為水平行波方向上的特征值；Z_n(z)為 豎直方向特征值函數(shù)也稱為格林函數(shù)，其解形式由海面、海底邊界決定；