CN112270113A - 一种层流分层结构模式下的海底声散射fem分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种基于层流分层结构模式下的海底声散射FEM分析方法，涉及到一种基于FEM数值模拟的分层海水结构海底声散射分析方法，属于海洋声学领域。本发明包含如下步骤：步骤一：基于建立海洋声场环境几何模型，插入海底断面并预设介质参数，构造海底弹性介质；步骤二：建立海水分层模型，在无限大海域内设置高斯入射波声源参数及位置信息；步骤三：对海洋声环境及海底底质进行频域下声传播数值模拟，得到海水声传播特征，传播损失及压力场情况。本发明提供一种基于层流分层结构模式下的声散射FEM分析方法，可以方便地获得海水内部声传播特性及图像，直观地观察海洋中的声传播情况，以最优海水分层模式还原海洋环境场。

Description

一种层流分层结构模式下的海底声散射FEM分析方法
技术领域
本发明涉及一种层流分层结构模式下的海底声散射FEM分析方法，特别涉及一种基于FEM数值模拟的分层海水结构海底声散射分析方法。
背景技术
声波是海洋中唯一能有效地进行远距离信息传递的载体，光波、电磁波在海水中存在极大的衰减系数。所有的水下活动都离不开声学，近年来对海洋声散射特性的研究也不断深入。水中的目标散射的相关问题对目标探测和识别以及声场环境分析起着重要作用，也越来越受人们的重视。
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。通过实验分析将海水结构依据温度分层模式划分，导出并还原海洋声速场，进而观察研究分层模式下的海底声散射特性。
发明内容
本发明提出一种基于FEM数值模拟的分层海水结构海底声散射分析方法，该方法可以方便的观察到海底声散射特性的模拟结果，
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：一种层流分层结构模式下的海底声散射分析方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，基于建立海洋声场环境几何模型，插入海底断面并预设介质参数，构造海底弹性介质；
步骤二，建立海水分层模型，在无限大海域内设置高斯入射波声源参数及位置信息；
步骤三，对海洋声环境及海底底质进行频域下声传播数值模拟，得到海水声传播特征，传播损失及压力场情况。
本发明进一步限定的技术方案是：
所述步骤一中，基于建立海洋声场环境二维几何模型，插入海底断面，再输入海底弹性介质的物理参数。
所述步骤二中，将计算域分为海水域与泥沙底质域，其中海水域设置为压力声学频域物理场，底质域设置为多孔弹性波频域物理场。在海水域中构建等温分层，并在底质上方海水域设置点声源发射高斯入射波。计算域四周以完美匹配层包裹，以避免声波在边界的反射散射现象。构建网格，建立海底沉积物分层FEM模型。
所述步骤三中，控制声源频率和入射角度进行参数化扫描并进行对照实验，以观察不同频率下的声传播情况。
本发明的有益效果：本发明通过建立海水分层几何模型，对海底底质进行频域下的声散射数值模拟，获得海洋内部声散射特性及传播图像，据此实验对比观察海底的声传播情况，具有方便，准确，高效等特点。
附图说明
图1为本发明的层流分层结构模式下的海底声散射FEM分析方法实现流程图；
图2为基于分层模型建立的海洋声场二维FEM模型示意图；
图3为不同分层模式下声速分布图；
图4为不同分层方法下海洋声传播的传播损失分布图；
图5为不同分层方法下海洋声散射的压力场分布图；
图6为固定频率下海洋声散射压力场随不同入射角的分布变化。
具体实施方式
本发明提出了一种层流分层结构模式下的海底声散射FEM分析方法，下面对本发明做进一步的详细说明：
步骤一，基于建立海洋声场环境几何模型，插入海底断面并预设介质参数，构造海底弹性介质，如图1所示；
步骤二，基于步骤一生成的几何模型，建立海水分层FEM模型，并设置声源，引入高斯入射波，如图2所示；
步骤三，对海洋声环境及海底底质进行频域下声传播数值模拟，得到不同分层模式下的海水声传播特征，并分析不同入射角度下的海底散射现象，如图所示，通过结果分析海洋内部的传播损失及压力场情况。
如图3所示，为分别依据等温度、盐度、深度分层模式下的声速分布图，其中通过固定差值法得出最贴近海洋环境场的分层模式为等温分层模型。
如图4所示，不同分层方法下海洋声传播的传播损失分布图，展示了等温分层模型与均匀介质模型的声场传播损失(TL)对比，可以明显看出，相比均质海水，等温分层情况下由于介质存在分层现象，入射声波在传播过程中发生散射，产生了额外的传播损失。
如图5所示，不同分层方法下海洋声散射的压力场分布图，对于两个除海水区域材料参数不同外完全相同的模型，研究入射频率均为10Hz，入射角均为33°，等温分层模型为分层海水介质，对照组为密度1030kg/m3，声速1440m/s的均匀介质，散射结果如图所示。相比均匀海水传播后的后向散射强度，分层海水的海底后向散射强度明显增强。
如图6所示，等温分层情况下，研究入射频率为10HZ，入射角从10°开始，以+5°为间隔变化到50°，从图中可以明显看出，随着入射角增大，后向散射强度逐渐增强，该散射强度变化状态与海底地形和海水介质环境参数有关，可以据此分析海底底质以及海水介质对声传播的影响。

Claims (4)

1.一种层流分层结构模式下的海底声散射FEM分析方法，其特征在于,基于FEM数值模拟的分层海水结构海底声散射分析方法，具体步骤如下：
步骤一，基于建立海洋声场环境几何模型，插入海底断面并预设介质参数，构造海底弹性介质；
步骤二，建立海水分层模型，在无限大海域内设置高斯入射波声源参数及位置信息；
步骤三，对海洋声环境及海底底质进行频域下声传播数值模拟，得到海水声传播特征，传播损失及压力场情况。
2.根据权利要求1所述的一种层流分层结构模式下的海底声散射FEM分析方法，其特征在于，步骤一中基于建立海洋声场环境二维几何模型，插入海底断面，再输入海底弹性介质的物理参数。
3.根据权利要求1所述的一种层流分层结构模式下的海底声散射FEM分析方法，其特征在于，步骤二中将计算域分为海水域与泥沙底质域，其中海水域设置为压力声学频域物理场，底质域设置为多孔弹性波频域物理场；
在海水域中构建等温分层，并在底质上方海水域设置点声源发射高斯入射波；
计算域四周以完美匹配层包裹，以避免声波在边界的反射散射现象；
构建网格，建立海底沉积物分层FEM模型。
4.根据权利要求1所述的一种层流分层结构模式下的海底声散射FEM分析方法，其特征在于，控制声源频率和入射角度进行参数化扫描并进行对照实验，以观察不同频率下的声传播情况。
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