[发明专利]一种二维冰脊模型声学散射特征分析方法

说明书

本发明公开了一种二维冰脊模型声学散射特征分析方法：步骤1，基于冰厚与数字高程模型数据，结合浮冰统计数据资料构建海冰冰脊二维几何模型；步骤2，建立二维冰脊平面声学散射有限元模型，插入步骤1构建的海冰冰脊二维几何模型并预设大气、海水的声速和密度，以及冰脊的密度、声速和温度；设置背景场入射声波的角度和频率；步骤3，利用有限元方法对海冰冰脊在声场中的散射波场进行求解，分析并掌握冰脊在不同入射角度、频率下的声波场中的散射特征。本发明方法能够方便地观察冰脊的二维平面形态特征，直观地呈现出冰脊内声场传播散射特性，对比观察不同背景压力场下声学散射情况，具有方便、可靠、鲁棒性高等特点。

技术领域

本发明涉及海冰冰脊特征分析技术，特别涉及一种基于有限元数值模拟的二维冰脊模型声学散射特征分析方法。

背景技术

北极地区不仅仅影响着全球气候的变化，更有着不容小觑的战略地位。北极地区覆盖着大面积的冰层，海冰冰脊是极具代表性的海冰结构形态，明晰冰脊在声场中作用机理，可为北极冰下声学研究提供极大的便利。

声波在海洋中的传播受到声场要素的影响，真实的海洋环境瞬息万变，海水的理化性质变化会对声传播产生较大影响，故模拟真实环境的海洋声场具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于有限元数值模拟的二维冰脊模型声学散射特征分析方法，该方法能够直观地呈现出冰脊内声场传播散射特性。

本发明所采用的技术方案是：一种二维冰脊模型声学散射特征分析方法，包括以下步骤：

步骤1，基于冰厚与数字高程模型数据，结合浮冰统计数据资料构建海冰冰脊二维几何模型；

步骤2，建立二维冰脊平面声学散射有限元模型，插入步骤1构建的海冰冰脊二维几何模型并预设大气、海水的声速和密度，以及冰脊的密度、声速和温度；设置背景场入射声波的角度和频率；

步骤3，利用有限元方法对海冰冰脊在声场中的散射波场进行求解，分析并掌握冰脊在不同入射角度、频率下的声波场中的散射特征。

进一步地，步骤2中，所述的建立二维冰脊平面声学散射有限元模型包括：

以冰脊为散射模型中心构建一个包含冰脊二维剖面的模型域，冰脊上侧为大气界面，下侧为海水界面；整个计算域四周围由边界层包裹，以充分吸收声场内部逸散的声波，准确反映冰脊导致的散射现象；剖分网格，建立二维冰脊平面声学散射有限元模型。

进一步地，步骤3中，通过控制不同频率或者不同入射角度声源的背景场入射声波，对照分析入射角度和频率在当前模型结构中对冰脊散射特征变化的影响。

本发明的有益效果是：本发明提供的二维冰脊模型声学散射特征分析方法，能够方便地观察冰脊的二维平面形态特征，直观地呈现出冰脊内声场传播散射特性，对比观察不同背景压力场下声学散射情况，具有方便、可靠、鲁棒性高等特点。

附图说明

图1为本发明的二维冰脊模型声学散射特征分析方法流程图；

图2为基于冰厚与DEM数据构建的海冰冰脊二维几何模型示意图；

图3a为具有垂直分布特征的冰脊密度(g/cm³)示意图；

图3b为具有垂直分布特征的冰脊声速(m/s)示意图；

图3c为具有垂直分布特征的冰脊温度剖面(℃)示意图；

图4为固定声波频率下不同入射角度散射压力场对比图；

其中，4a为入射角度45°；4b为入射角度-45°；

图5为不同入射角度、声波频率下的散射压力场对比图；