CN114186450A - 一种二维冰脊模型声学散射特征分析方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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；
其中，5a为入射角度15°、声波频率46Hz；5b为入射角度80°、声波频率96Hz；
图6为固定入射角度下不同声波频率的散射压力场对比图；
其中，6a为入射角度80°、声波频率46Hz；6b为入射角度80°、声波频率96Hz；
图7为固定入射角度下不同声波频率的外场声压级对比图；
其中，7a为入射角度80°、声波频率46Hz；7b为入射角度80°、声波频率96Hz。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本发明为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，也为基于垂直分布特征下的二维冰脊平面声学散射有限元分析方法，通过实验分析构建更为准确的冰脊二维剖面模型，导出并还原海洋声场，进而观察研究不同背景压力场与冰脊声学散射之间的联系。
如图1所示，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(DEM)数据，结合浮冰统计数据资料构建海冰冰脊二维几何模型，如图2所示。
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，如图3a至图3c所示，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，对冰脊的温度、密度和和声速数据进行二维栅格化处理，得到具有垂直分布特征的二维冰脊截面；设置背景场入射声波的角度和频率。
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。
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。
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，为进一步掌握和认知冰脊覆盖下的声场散射环境特征以及水下声学设备在冰脊覆盖区的应用提供了重要的支撑和参考。
如图4所示，不同声场方向声学散射压力场分布图，展示了背景压力场入射角度45°与-45°散射声压的对比，如图所示两个方向上的声场散射声压呈强对称分布，与外场声压级特征一致。
如图5所示，不同入射角度、声波频率散射压力场对比图，其入射角度分别为声散射影响较小的15°和声散射影响较大的80°，声波频率分别为46Hz和96Hz。随着声波入射角增大时，冰脊的散射特征变化较大，向不同方向的辐射也更显著。
如图6所示，由于声场声波入射角较大时，冰脊的散射特征更为明显。控制声场入射角为80°，研究声波频率为46Hz和96Hz散射声压分布规律。在入射角度相同的声波作用下，冰脊周围波场散射声压变化呈现出相似的趋势。
如图7所示，从图6中无法看出明显的差别，对两种频率下的模型进行外场声压级计算。频率从46Hz变化到96Hz时，外场声压级最大变化幅值在5dB左右，散射声场在各向的声压级整体提升，且最大声压级的辐射范围有显著变大的现象。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种二维冰脊模型声学散射特征分析方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的二维冰脊模型声学散射特征分析方法，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的二维冰脊模型声学散射特征分析方法，其特征在于，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。
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