[發明專利]一種淺海彈性結構輻射聲場計算方法

有效

• 申請號: 201910681465.0
• 申請日: 2019-07-26
• 公開（公告）號: CN110399680B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 張超;劉銥豪;商德江;肖妍;王曼;劉永偉;安步潮;尹琭
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F17/15;G06F119/10
• 代理公司: 哈爾濱市文洋專利代理事務所(普通合伙) 23210
• 代理人: 范欣

一種淺海彈性結構輻射聲場計算方法，它涉及一種淺海信道環境下彈性結構聲場分布的計算方法。本發明方法：S1、設置聲源；S2、獲得結構聲源內部等效源強度；S3、得到彈性結構在需要計算場點的輻射聲場。本發明采用等效源法完整描述彈性結構的聲輻射特性，聲場計算結果更符合實際彈性結構輻射聲場的實際情況；本發明基于表面振速反演獲得結構內部等效源強度后，基于射線聲學理論計算輻射聲場，適用于高頻段，計算速度快、效果好。

技術領域

本發明涉及一種淺海信道環境下彈性結構聲場分布的計算方法，基于彈性結構表面振速，聯合應用等效源法與射線聲學，實現該彈性結構輻射聲場的快速計算，屬于淺海環境下聲輻射計算領域。

背景技術

水下航行器的聲輻射準確預報問題具有重要的工程應用價值。一方面，輻射噪聲的準確預報是確定水下航行體安全活動半徑的關鍵，以確保自身的隱蔽性；另一方面，輻射噪聲的精確仿真，也是聲場特性分析和聲學測量研究的重要技術手段。我國周邊海洋以淺海為主，是典型的淺海波導環境。在淺海波導中，由于存在上下邊界面的聲反射使傳統的自由場分析方法受到嚴重限制，所以淺海信道中的聲輻射預報變得非常復雜。

淺海環境下聲傳播計算模型通常都是針對點聲源進行建模，其經典的模型包括射線模型，簡正波模型，波數積分模型以及拋物方程模型。這種將結構視作點聲源的研究方法忽略了結構表面的振動分布特性和聲輻射的方向性差異，僅將彈性結構視作具有相同聲源級且無指向性的點聲源，已經難以滿足科研需求。

有限元方法也是聲場計算常用的數值計算方法，但是僅適用于近場區域，對于遠距離大尺度范圍的聲場計算，則由于網格單元數過多，計算開銷太大，而不再適用。

對于彈性結構在淺海信道環境下的聲輻射計算問題，在采用單一方法難以滿足計算需求的情況下，一些同時采用多種計算方法的聯合計算模型被開發出來；

現有聯合方法：

(1)聯合波疊加法與格林函數

商德江提出了波疊加法與格林函數結合的計算方法，對淺海信道下大型彈性結構聲輻射做了有效的預報。這種方法應用簡正波格林函數計算遠場聲壓，而簡正波格林函數在高頻下階數較大，對計算階數的控制要求也更為嚴苛，計算速度也受到較大影響，所以不適宜高頻計算。

(2)聯合有限元法及聲傳播理論

安步潮聯合有限元與簡正波理論提出了一種計算淺海信道下復雜彈性結構聲輻射的方法，并分析了其聲輻射特性，類似的，錢治文提出了另外一種聯合有限元和拋物方程的計算方法。兩種方法都是在近場有源區需要計算近場柱面聲場數據，在遠場無源區域采用簡正波或者拋物方程法求取完整的聲場解。簡正波法僅適用于低頻段；拋物方程法是一種步進遞推方法，遠距離計算會導致誤差累積，另外該方法也僅能計算某一垂直切面，而無法計算完整的三維聲場。

發明內容

針對上述不足，本發明提供一種高頻、快速的淺海彈性結構輻射聲場計算方法。

本發明的一種淺海彈性結構輻射聲場計算方法，所述方法包括：

S1、在結構聲源內部設置I個點聲源，作為結構聲源的等效源，I個等效源的位置位于與結構聲源表面共形的面上；

S2、基于彈性結構表面振速和點源格林函數，采用等效源法獲得結構聲源內部等效源的強度；

S3、在S2獲得的等效源的強度的基礎上，采用射線方法計算各個等效源的在需要計算場點的聲壓，將各個源的聲壓在相應場點疊加，得到彈性結構在需要計算場點的輻射聲場。

作為優選，所述S2包括：

S21、建立柱坐標系：坐標原點在海面，海底海面邊界與r軸平行，z軸垂直海面向下，結構聲源的結構幾何中心在z軸上，坐標為z_s；