CN113935166A - 一种浅海信道下三维结构声场预报方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浅海信道下三维结构声场预报方法、系统及存储介质，涉及浅海环境声辐射技术领域，方法为：在结构声源内部设置点声源和面声源作为结构声源的等效源；基于结构声源表面振速和等效源的格林函数，获得各个等效源强度；采用多物理场耦合FEM法建立声辐射模型；基于声辐射模型对声辐射指向性进行分析，获取结构声源声辐射的远场距离；对于近场区域，使用声辐射模型获取声辐射特性，对于远场区域，使用抛物方程法以步进计算远场声辐射特性。本发明将等效点声源和等效面声源结合作为结构声源的等效源，以FEM法建立声辐射模型计算近场区域声辐射特性，使用抛物方程法计算远场声辐射特性，提高模型的计算精度，保障声场计算的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及浅海环境声辐射技术领域，更具体的说是涉及一种浅海信道下三维结构声场预报方法、系统及存储介质。
背景技术
研究弹性结构在浅海信道下的辐射声场，对开展水下航行器的结构振动辐射噪声预报和有效控制具有重要意义，同时也是我国水下声辐射研究的难点问题之一。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，这对于船舶尤其是军用船舶具有极大的研究意义。
现有的理论体系对电源在浅海信道中的辐射声场问题有教完善的解决方法，如射线法、简正波法、有限元等。然而现有技术中大多是使用点声源等效源模拟水下结构声源，计算精度不高，忽略了结构表面的振动分布特性和声辐射的方向性差异。并且在建模过程中关于远场和近场的声场数据计算方法中，并没有很好的区分远场和近场的距离，进而在计算检测点的声场数据时，关于算法的选取必然存在不合理性。
基于上述现有技术中存在的技术缺陷，如何提出一种能够提高模型计算精度、准确预测浅海弹性结构在检测点的辐射声场的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种浅海信道下三维结构声场预报方法、系统及存储介质。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种浅海信道下三维结构声场预报方法，包括以下步骤：
步骤一、在三维结构声源内部设置n个点声源和m个面声源，作为三维结构声源的等效源，其中n<m；
步骤二、基于三维结构声源表面振速和等效源的格林函数，使用等效源法获得三维结构声源内部等效源的强度；
步骤三、基于各个等效源的强度，采用多物理场耦合FEM理论建立声辐射模型；
步骤四、基于步骤三建立的声辐射模型，对声辐射指向性进行分析，获取三维结构声源声辐射的远场距离，则位于三维结构声源远场距离之外的区域为远场区域，位于三维结构声源远场距离之内的区域为近场区域；
步骤五、对于近场区域，使用步骤三建立的声辐射模型获取近场声辐射特性，对于远场区域，则使用抛物方程法以步进计算远场声辐射特性。
可选的，所述步骤一中，所述点声源的数量为面声源的1/10左右，点声源均匀分布在三维结构内部，所述点声源与面声源不共面。
可选的，所述步骤二中，根据浅海边界条件，获取等效源的辐射声场，作为等效源的格林函数。
可选的，所述步骤四中，根据声辐射模型在不同水深及辐射半径下的声辐射指向性场点，利用边界元法获取三维结构声源的声辐射指向性，绘制声辐射指向性图，得到三维结构声源声辐射的远场距离。
本发明还提供一种浅海信道下三维结构声场预报系统，包括：
等效源确定模块，用于在三维结构声源内部设置n个点声源和m个面声源，作为三维结构声源的等效源，其中n<m；
等效源强度确定模块，用于基于三维结构声源表面振速和等效源的格林函数，使用等效源法获得三维结构声源内部等效源的强度；
声辐射模型建立模块，用于采用多物理场耦合FEM理论建立声辐射模型；
远场距离判定模块，用于基于建立的声辐射模型，对声辐射指向性进行分析，获取三维结构声源声辐射的远场距离，则位于三维结构声源远场距离之外的区域为远场区域，位于三维结构声源远场距离之内的区域为近场区域；
声辐射信息计算模块，对于近场区域，使用建立的声辐射模型获取近场声辐射特性，对于远场区域，则使用抛物方程法以步进计算远场声辐射特性。
一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项所述的一种浅海信道下三维结构声场预报方法的步骤。
经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种浅海信道下三维结构声场预报方法、系统及存储介质，与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明将等效点声源和等效面声源结合，作为浅海信道下三维结构声源的等效源，能够更准确地模拟出水下三维结构模型，既提高了模型的计算精度，同时保证特征频率处的解的唯一性。
(2)本发明首先设置多个水下弹性结构等效源，其次使用等效源法获取各个等效源的强度，为后续声辐射模型中的三维结构提供基础。
(3)在建模过程中，需要建立水下环境模型以及三维弹性结构模型等多个模型的耦合模型，因此，关于三维弹性结构模型的构建是极其重要的，本发明通过设置面声源和点声源结合，并获取每个等效源的强度，进而可以构建出更准确的水下结构声辐射模型，能够更准确地模拟水下弹性结构的声辐射情况。
(4)进一步的，由于有限元法FEM涉及到网格划分，其计算能力以及声场计算距离受到限制，因此FEM法建立的声辐射模型对于近场声场计算具有较高的计算效率和计算精度，然而对于远场，则需要使用其他方式进行计算，基于此，本发明使用抛物方程法以步进计算远场声辐射特性，使得远场声场和近场声场的计算均具有较高的准确度和计算效率。
(5)更进一步的，本发明还考虑到了远场距离这一问题，关于远场和近场的区分，对于检测点的声场计算是极为重要的，在不同的检测点应使用对应的方法进行声场计算，因此本发明通过对声辐射指向性进行分析，获取三维结构声源声辐射的远场距离，进而准确得到声辐射的远场区域和近场区域，进而采用对应的方法进行声场计算，进一步保障了声场计算的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法步骤流程图；
图2为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种浅海信道下三维结构声场预报方法，参见图1，包括以下步骤：
步骤一、在三维结构声源内部设置n个点声源和m个面声源，作为三维结构声源的等效源，其中n<m；所述点声源的数量为面声源的1/10左右，点声源均匀分布在三维结构内部，所述点声源与面声源不共面。
步骤二、基于三维结构声源表面振速和等效源的格林函数，使用等效源法获得三维结构声源内部等效源的强度。
具体的，根据浅海环境建立坐标系，根据浅海边界条件，获取等效源的辐射声场，作为等效源的格林函数，其中格林函数为
kzn为深度方向波数，
为第二类零阶汉克尔函数，krn为坐标系中与海面平行轴方向波数，n为简正波号，N为截取的简正波模式总数，j表示叙述，D为水深。基于等效源的格林函数，数值拟合得到等效源强度与三维结构声源表面振速的关系函数，依据所述关系函数以及三维结构声源表面振速，即可得到每个等效源强度。
步骤三、基于各个等效源的强度，采用多物理场耦合FEM理论建立声辐射模型。具体的，通过流-固耦合、生边界耦合、PML技术建立浅海下三维结构声辐射FEM模型。
步骤四、基于步骤三建立的声辐射模型，对声辐射指向性进行分析，获取三维结构声源声辐射的远场距离，则位于三维结构声源远场距离之外的区域为远场区域，否则为近场区域。具体的，对该模型输入激励，根据声辐射模型在不同水深及辐射半径下的声辐射指向性场点，利用边界元法获取三维结构声源的声辐射指向性，绘制声辐射指向性图，得到三维结构声源声辐射的远场距离。
步骤五、对于近场区域，使用步骤三建立的声辐射模型获取近场声辐射特性，对于远场区域，则使用抛物方程法以步进计算远场声辐射特性。具体的，依据声辐射模型获取远场区域和近场区域交界处的声场信息，作为近场区域声辐射FEM模型和远场PE(抛物方程)模型的耦合条件，采用分段三次Hermite插值法对FEM的声场信息结果与PE初始场空间格点匹配，进而使用隐式的有限差分法求解PE，以计算远场区域内待测点的声场信息。
本发明还提供一种浅海信道下三维结构声场预报系统，参见图2，包括：
等效源确定模块，用于在三维结构声源内部设置n个点声源和m个面声源，作为三维结构声源的等效源，其中n<m；
等效源强度确定模块，用于基于三维结构声源表面振速和等效源的格林函数，使用等效源法获得三维结构声源内部等效源的强度；
声辐射模型建立模块，用于采用多物理场耦合FEM理论建立声辐射模型；
远场距离判定模块、基于建立的声辐射模型，对声辐射指向性进行分析，获取三维结构声源声辐射的远场距离，则位于三维结构声源远场距离之外的区域为远场区域，位于三维结构声源远场距离之内的区域为近场区域；
声辐射信息计算模块，对于近场区域，使用建立的声辐射模型获取近场声辐射特性，对于远场区域，则使用抛物方程法以步进计算远场声辐射特性。
一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项所述的一种浅海信道下三维结构声场预报方法的步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种浅海信道下三维结构声场预报方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在三维结构声源内部设置n个点声源和m个面声源，作为三维结构声源的等效源，其中n<m；
步骤二、基于三维结构声源表面振速和等效源的格林函数，使用等效源法获得三维结构声源内部等效源的强度；
步骤三、采用多物理场耦合FEM理论建立声辐射模型；
步骤四、基于步骤三建立的声辐射模型，对声辐射指向性进行分析，获取三维结构声源声辐射的远场距离，则位于三维结构声源远场距离之外的区域为远场区域，位于三维结构声源远场距离之内的区域为近场区域；
步骤五、对于近场区域，使用步骤三建立的声辐射模型获取近场声辐射特性，对于远场区域，则使用抛物方程法以步进计算远场声辐射特性。
2.根据权利要求1所述的一种浅海信道下三维结构声场预报方法，其特征在于，所述步骤一中，点声源均匀分布在三维结构内部，所述点声源与面声源不共面。
3.根据权利要求1所述的一种浅海信道下三维结构声场预报方法，其特征在于，所述步骤二中，根据浅海边界条件，获取等效源的辐射声场，作为等效源的格林函数。
4.根据权利要求1所述的一种浅海信道下三维结构声场预报方法，其特征在于，所述步骤四中，根据声辐射模型在不同水深及辐射半径下的声辐射指向性场点，利用边界元法获取三维结构声源的声辐射指向性，绘制声辐射指向性图，得到三维结构声源声辐射的远场距离。
5.一种浅海信道下三维结构声场预报系统，其特征在于，包括：
等效源确定模块，用于在三维结构声源内部设置n个点声源和m个面声源，作为三维结构声源的等效源，其中n<m；
等效源强度确定模块，用于基于三维结构声源表面振速和等效源的格林函数，使用等效源法获得三维结构声源内部等效源的强度；
声辐射模型建立模块，用于采用多物理场耦合FEM理论建立声辐射模型；
远场距离判定模块，用于基于建立的声辐射模型，对声辐射指向性进行分析，获取三维结构声源声辐射的远场距离，则位于三维结构声源远场距离之外的区域为远场区域，位于三维结构声源远场距离之内的区域为近场区域；
声辐射信息计算模块，对于近场区域，使用建立的声辐射模型获取近场声辐射特性，对于远场区域，则使用抛物方程法以步进计算远场声辐射特性。
6.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任意一项所述的一种浅海信道下三维结构声场预报方法的步骤。
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|---|---|---|---|---|
| CN117078836A (zh) * | 2023-07-24 | 2023-11-17 | 中国人民解放军海军工程大学 | 基于浅海环境近场声全息的辐射声场可视化方法及系统 |
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2021
- 2021-10-13 CN CN202111192557.6A patent/CN113935166A/zh active Pending
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| CN117078836A (zh) * | 2023-07-24 | 2023-11-17 | 中国人民解放军海军工程大学 | 基于浅海环境近场声全息的辐射声场可视化方法及系统 |
| CN117078836B (zh) * | 2023-07-24 | 2024-06-11 | 中国人民解放军海军工程大学 | 基于浅海环境近场声全息的辐射声场可视化方法及系统 |
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