[發明專利]一種建立含氣泡水介質中波動-振動非線性聲場的方法

有效

• 申請號: 201910262885.5
• 申請日: 2019-04-02
• 公開（公告）號: CN109933949B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 時潔;楊昊澎;楊德森;時勝國;張昊陽;劉宇林;張宇涵;李松;王文博;李迪
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
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本發明涉及一種建立含氣泡水介質中波動?振動非線性聲場的方法，建立“波動?氣泡體積三階振動”方程；設置初始條件和邊界條件；確定時間長度T_t和空間距離T_l，設置步長劃分網格；微分項改寫為差分形式；通過對聲源項耦合“波動?氣泡體積三階振動”方程，得到差分方程組；設置聲壓和氣泡體積變化量初始值；計算時間節點n_t氣泡體積變化值和聲壓值后n_t加1；當n_t≤N_t時，重復上一步，計算至時間域最后點N_t，當n_t＝N_t時，重新設置n_t＝3；利用初始參數和計算空間域上最后節點N_s上的聲壓值n_t加1；當n_t≤N_t時，重復上一步，計算至時間域最后點N_t。本發明通過聲壓激勵項進行耦合，對波動—振動非線性方程進行數值耦合計算，同時獲得含氣泡水介質中非線性聲場特性和氣泡非線性動力學特性。

技術領域

本發明涉及一種建立非線性聲場的方法，特別是一種建立含氣泡水介質中波動-振動非線性聲場的方法。

背景技術

由于海浪和風力的擾動，導致海洋表面存在大量的微小氣泡形成氣泡水介質，這些氣泡十分穩定，存在周期較長；水面艦船航行時，破碎的船頭船尾浪、螺旋槳空化等都能把空氣帶進海水而形成含氣泡水介質，導致介質的某些聲學特性發生顯著改變，對聲波的傳播產生影響。近年來，隨著水下大振幅聲波的應用越來越廣泛，含氣泡水介質的一些非線性聲學特性越來越引起人們的關注。事實上，含氣泡水介質本身就屬于一種非均勻介質，可以將含氣泡水介質擴展至非均勻介質。含氣泡非均勻介質在其他領域也有著廣泛的應用，比如：在海洋氣象觀測、醫用超聲組織成像、工業生產中的材料和設備無損估計、參量陣等領域。因此，對于聲波在含氣泡非均勻介質中的傳播及互作用規律研究，具有非常重要的理論意義和應用價值。

Van Wijingaarden最先提出了以混合介質為模型的含氣泡介質聲波波動方程；Commander和Prosperitti進一步發展了含氣泡介質的混合介質理論，并討論了線性聲波在含氣泡水介質中的傳播問題(1Commander K W,Prosperetti A.Linear pressure wavesin bubbly liquids:Comparison between theory and experiments[J].Journal of theAcoustical Society of America,1998,85(21):9383-9391.)，但對于氣泡的非線性振動對聲場的影響并沒有討論；Zabolotskaya基于單個氣泡振動方程—Rayleigh-Plesset方程，將氣泡半徑隨時間的變化改寫為氣泡體積隨時間的變化，研究氣泡的動力學特性(2Zabolotskaya E A.Emission of harmonic and combination-frequency waves byair bubbles[J].Sov.phys.acoust,1973,18.)；以上這些理論并沒有考慮含氣泡水介質中聲場和氣泡非線性振動的相互影響。Christian Vanhulle最先提出可將波動方程和氣泡振動方程進行耦合計算，進而求解出含氣泡水介質中的聲場特性以及氣泡振動特性的思想(3Nolinear ultrasonic propagation in bubbly liquids:A numerical model)，但是文中對于非線性聲場特性研究較少，而且文中的氣泡體積振動模型僅考慮到二階非線性效應，無法對更高階的氣泡非線性振動產生的聲場特性變化進行分析。

本發明提出了非線性波動方程和氣泡三階非線性振動方程耦合計算的新的數值差分形式，通過聲源項耦合，可充分反應含氣泡水介質中聲場和氣泡非線性振動的相互耦合與影響，有利于更好的研究介質的非線性聲場特性和氣泡非線性動力學特性。通過聲壓激勵項進行耦合，對“波動—振動”非線性方程進行數值耦合計算，可同時獲得含氣泡水介質中的非線性聲場特性和氣泡非線性動力學特性。該方法計算簡便，計算結果準確可靠。

發明內容