[发明专利]一种基于守恒迎风格式获取参量阵声场空间分布的方法

说明书

技术领域

本发明属于参量阵声场领域，具体涉及一种基于守恒迎风格式获取参量阵声场空间分布的方法。

背景技术

1962年，Peter Westerwelt首先给出了声学参量阵(parametric array)的最初模型。1965年，H.O.Berkay给出了声学参量阵的更精确和完整的理论解释。不管是Westerwelt还是Berktay理论模型，在它们的推导过程中都做了很多近似，建立的物理模型不够精确。上个世纪70年代，Khokhlov、Zabolotskaya和Kuznetsov三位学者综合考虑原波传播过程中的非线性、吸收以及衍射效应，提供了一个更加精确的声学参量阵模型——KZK方程。该方程避免了利用体积阵模型对虚源求体积积分，是研究参量阵声场空间分布最有力的工具之一。

目前，众多求解KZK方程的数值模拟模型中，最为流行的是时域有限差分(time domain method)、频域有限差分(frequency domain method)。采用频域方法对KZK方程进行数值模拟，非线性部分形象、直观的体现了各阶谐波的耦合，但是声场获取时间正比于N²(N为最大截断谐波阶次，衍射、吸收项的数值模拟时间正比于N)，故计算量非常大。程琴琴提出一种并行计算模型，对计算区域的进行径向空间分层，利用数个PC机、计算机网络和MPI并行编程分别计算子区域声场并最终求出整个声场。这种算法可以明显提高计算效率，但需要使用多台计算机才能实现并行运算，并且对计算机之间的协同有较高的要求。先永利对程琴琴等的算法加以改进，在一台PC机上设计了一套并行运算软件，采用多线程并行计算以提高计算效率，该算法需要多个处理器并发地执行计算步骤，要求声场计算规模和分割线程数能较好的匹配。本文借鉴时域求解的算子分离思想，将KZK理论模型分解为线性(包含衍射、吸收效应)和非线性(包含非线性效应)两部分，其中线性部分的求解采用后向隐式有限差分(IBFD)和Crank-Nicolsion有限差分(CNFD)相结合的方法，在频域进行；非线性部分则采用守恒型迎风格式积分求解，最后将两部分进行整合，即可得到参量阵的声场空间分布特性。

本发明基于KZK方程时频域结合的数值模拟方法，提出将守恒型迎风格式引入到参量阵非线性声场空间分布获取方法。该方法一方面利用守恒型迎风格式提高计算效率，使得计算量得到较大的减小。另一方面，形象直观地显示出参量阵声场分布情况，更加准确、全面地反映声场性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高轴向声场步进计算效率的提高轴向声场步进计算效率。

本发明的目的是这样实现的：

(1)读取参量阵声源的几何尺度、轴对称信息、原波频率以及传播媒介的声速、密度和非线性系数，根据基础数据获取能匹配参量阵阵元形状的声场计算区域，进行离散网格化；

(2)读取参量阵发射系统的初始条件：轴向第一层网格各节点的源点频域信号；

(3)通过傅里叶反变换将轴向第一层网格各节点的源点频域信号变换为源点时域信号；

(4)将源点时域信号限定在一个周期内，施加周期性边界条件，获取第一层网格各节点的源点时域信号时间间隔Δt、轴向步长Δz以及轴积分步数n；

(5)利用描述参量阵非线性效应的无粘滞Burgers方程，通过守恒型迎风格式获取轴向第二层网格各节点的源点时域信号；

(6)将第二层网格各节点的源点时域信号通过快速傅里叶变换成源点频域信号；

(7)将第二层网格各节点的源点频域信号作为第一层网格的初始条件，利用描述参量阵声场传播衍射、吸收效应的理论模型，获取第二层网格的源点频域信号；

(8)重复步骤(3)到(7)，以步长dz进行轴向声场逐步推演，获取参量阵声场空间分布。

本发明的有益效果是：一方面利用时域求解KZK方程的算子分离思想，将KZK方程分为线性部分和非线性部分，并利用守恒型迎风格式提高计算效率。另一方面，对计算区域的网格划分更为规则、简单、可对参量阵声场可视化研究中的能量累积过程、轴向传播声场性能，径向指向性等方面有更为直观、形象的了解，为参量阵的进一步应用提供相应的理论指导。

附图说明

图1利用守恒迎风格式获取参量阵声场的流程图；

图2参量阵有限计算区域的网格划分模型示意图；

图3a原波f₁＝43kHz的声压幅值空间分布特性频域有限差分图；

图3b原波f₁＝43kHz的声压幅值空间分布特性守恒型迎风格式图；