[发明专利]一种浅海弹性结构辐射声场计算方法

说明书

一种浅海弹性结构辐射声场计算方法，它涉及一种浅海信道环境下弹性结构声场分布的计算方法。本发明方法：S1、设置声源；S2、获得结构声源内部等效源强度；S3、得到弹性结构在需要计算场点的辐射声场。本发明采用等效源法完整描述弹性结构的声辐射特性，声场计算结果更符合实际弹性结构辐射声场的实际情况；本发明基于表面振速反演获得结构内部等效源强度后，基于射线声学理论计算辐射声场，适用于高频段，计算速度快、效果好。

技术领域

本发明涉及一种浅海信道环境下弹性结构声场分布的计算方法，基于弹性结构表面振速，联合应用等效源法与射线声学，实现该弹性结构辐射声场的快速计算，属于浅海环境下声辐射计算领域。

背景技术

水下航行器的声辐射准确预报问题具有重要的工程应用价值。一方面，辐射噪声的准确预报是确定水下航行体安全活动半径的关键，以确保自身的隐蔽性；另一方面，辐射噪声的精确仿真，也是声场特性分析和声学测量研究的重要技术手段。我国周边海洋以浅海为主，是典型的浅海波导环境。在浅海波导中，由于存在上下边界面的声反射使传统的自由场分析方法受到严重限制，所以浅海信道中的声辐射预报变得非常复杂。

浅海环境下声传播计算模型通常都是针对点声源进行建模，其经典的模型包括射线模型，简正波模型，波数积分模型以及抛物方程模型。这种将结构视作点声源的研究方法忽略了结构表面的振动分布特性和声辐射的方向性差异，仅将弹性结构视作具有相同声源级且无指向性的点声源，已经难以满足科研需求。

有限元方法也是声场计算常用的数值计算方法，但是仅适用于近场区域，对于远距离大尺度范围的声场计算，则由于网格单元数过多，计算开销太大，而不再适用。

对于弹性结构在浅海信道环境下的声辐射计算问题，在采用单一方法难以满足计算需求的情况下，一些同时采用多种计算方法的联合计算模型被开发出来；

现有联合方法：

(1)联合波叠加法与格林函数

商德江提出了波叠加法与格林函数结合的计算方法，对浅海信道下大型弹性结构声辐射做了有效的预报。这种方法应用简正波格林函数计算远场声压，而简正波格林函数在高频下阶数较大，对计算阶数的控制要求也更为严苛，计算速度也受到较大影响，所以不适宜高频计算。

(2)联合有限元法及声传播理论

安步潮联合有限元与简正波理论提出了一种计算浅海信道下复杂弹性结构声辐射的方法，并分析了其声辐射特性，类似的，钱治文提出了另外一种联合有限元和抛物方程的计算方法。两种方法都是在近场有源区需要计算近场柱面声场数据，在远场无源区域采用简正波或者抛物方程法求取完整的声场解。简正波法仅适用于低频段；抛物方程法是一种步进递推方法，远距离计算会导致误差累积，另外该方法也仅能计算某一垂直切面，而无法计算完整的三维声场。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种高频、快速的浅海弹性结构辐射声场计算方法。

本发明的一种浅海弹性结构辐射声场计算方法，所述方法包括：

S1、在结构声源内部设置I个点声源，作为结构声源的等效源，I个等效源的位置位于与结构声源表面共形的面上；

S2、基于弹性结构表面振速和点源格林函数，采用等效源法获得结构声源内部等效源的强度；

S3、在S2获得的等效源的强度的基础上，采用射线方法计算各个等效源的在需要计算场点的声压，将各个源的声压在相应场点叠加，得到弹性结构在需要计算场点的辐射声场。

作为优选，所述S2包括：

S21、建立柱坐标系：坐标原点在海面，海底海面边界与r轴平行，z轴垂直海面向下，结构声源的结构几何中心在z轴上，坐标为z_s；