[發明專利]基于有限元方法的二維聲場模型的聲場獲取方法

在審

• 申請號: 202210054039.6
• 申請日: 2022-01-18
• 公開（公告）號: CN114444353A
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發明（設計）人: 駱文于;周益清
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;李彪

本發明屬于水下聲傳播技術領域，具體地說，涉及一種基于有限元方法的二維聲場模型的聲場獲取方法，包括：根據獲取目標區域的海洋環境參數，將該目標區域離散為有限個計算單元；根據單元形狀和節點數，構造每個計算單元的基函數；使用標準Galerkin變分法，推導出Helmholtz方程的弱形式；根據節點的各局部編號和各總體編號的一一對應的關系，將所有計算單元的單元剛度矩陣集成總體剛度矩陣；根據節點的各局部編號和各總體編號的一一對應的關系，將所有計算單元的單元外載荷向量集成總體外載荷向量；將上述結果組成線性代數方程組，作為二維聲場模型，得到聲場，即各節點的聲壓；再通過選擇的基函數和插值方法，得到空間各節點的聲壓值。

技術領域

本發明屬于水聲物理與水聲工程中的水下聲傳播技術領域，具體地說，涉及一種基于有限元方法的二維聲場模型的聲場獲取方法。

背景技術

聲波是目前所知的唯一一種可以在海水介質中遠距離傳播的物理形式，是探測海洋環境、開發海洋資源、實現水下信息傳輸的重要載體。海水中聲波的傳播特性研究是海洋學研究的重要領域之一，也是研究其他海洋聲學問題的基礎。

目前常用的聲場計算模型難以準確計算復雜環境中的聲場。例如：射線法僅適用于計算高頻聲波的傳播；拋物方程方法對于水平變化劇烈的環境中的聲場計算精度較差；未經特殊處理的簡正波方法和波數積分方法無法計算水平變化環境中的聲場；耦合簡正波方法無法精確計算非對稱的地形起的聲場變化。

因此，現有的方法無法精確計算二維復雜海洋環境中的聲場，無法解決二維復雜環境中的水下聲傳播問題。

發明內容

為解決現有技術存在的上述缺陷，本發明提出了基于有限元方法的二維聲場模型的聲場獲取方法，是一種用于計算二維水下聲傳播問題的有限元方法，該方法包括：

根據獲取目標區域的海洋環境參數，離散該目標區域；將該目標區域離散為有限個計算單元，各個計算單元之間以節點相連；根據單元形狀和節點數，構造每個計算單元的基函數；

使用標準Galerkin變分法，推導出Helmholtz方程的弱形式；

建立各計算單元的單元剛度矩陣，根據節點的各局部編號和各總體編號的一一對應的關系，將所有計算單元的單元剛度矩陣集成總體剛度矩陣；

建立各計算單元的單元外載荷向量，根據節點的各局部編號和各總體編號的一一對應的關系，將所有計算單元的單元外載荷向量集成總體外載荷向量；

將總體剛度矩陣、聲壓向量和總體外載荷向量組成線性代數方程組，作為二維聲場模型，求解該二維聲場模型得到聲場，即各節點的聲壓；

再通過選擇的基函數和插值方法，得到空間各點的聲壓值。

作為上述技術方案的改進之一，所述海洋環境參數包括：海水海底聲速、海水海底密度、該目標區域的海底地形、聲源強度和聲源位置。

作為上述技術方案的改進之一，所述根據獲取目標區域的海洋環境參數，將該目標區域離散為有限個計算單元，各個計算單元以節點相連；根據單元形狀和節點數，構造每個計算單元的基函數；其具體過程包括：

使用三節點三角形單元作為計算單元，根據獲取目標區域的海洋環境參數，對該目標區域進行剖分，將該目標區域離散為有限個三節點三角形單元，每個計算單元的基函數為N_n(x,z),n＝1,2,3；其中，n表示節點的局部編號，(x,z)為所建立的直角坐標系；z軸通過聲源且垂直向下；x軸平行于海面；