[发明专利]浅海信道下弹性结构辐射声场的计算方法

说明书

浅海信道下弹性结构辐射声场的计算方法，涉及一种声场分布的计算方法，尤其是涉及一种浅海信道环境下弹性结构声场分布的计算方法。本发明为浅海信道环境下任意三维弹性结构声辐射声场分布提供了一种计算方法，该方法有效地解决传统数值法和解析法在计算浅海信道下复杂弹性结构辐射声场时计算量大、信号环境下多物理场耦合复杂等问题。计算方法：一、建立柱坐标系；二、取一圆柱面作为界面；三、根据结构‑流体‑边界耦合方程计算有源区域声场值；四、根据浅海边界条件和海水参数，计算出深度方向与周向角方向的模式函数，然后根据计算出模式激发系数；五、得到无源区域声场值；六、合并有源区域声场值和无源区域声场值。

技术领域

本发明涉及一种声场分布的计算方法，尤其是涉及一种浅海信道环境下弹性结构声场分布的计算方法。

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实时预报和有效控制具有重要的理论和军事价值，是以后我国水声技术领域长期关注的热点和难点问题之一。

现有的理论体系对点源在浅海信道中的辐射声场问题有较完善的解决方法，如波数积分法、简正波法、射线法、抛物方程法、有限元及有限差分方法等等，可以对不同海洋环境、不同频段下的点源声场进行计算。但要得到更精确的声场分布，还需考虑弹性结构作为体声源条件的影响。然而目前关于水下弹性结构多物理场耦合振动与声辐射问题大多是考虑为无界或半空间流体域条件下近距离声场问题，由于传统数值法(边界元法、有限元法、统计能量法等)将受大网格计算量、复杂海洋环境和多物理场耦合等因素的严重限制，声场计算工作难度很大，因此对于浅海信道下弹性结构多物理场耦合声辐射的研究尚不多见。

发明内容

本发明的目的是提供一种浅海信道下弹性结构辐射声场的计算方法。

本发明为浅海信道环境下任意三维弹性结构声辐射声场分布提供了一种计算方法，该方法有效地解决传统数值法和解析法在计算浅海信道下复杂弹性结构辐射声场时计算量大、信号环境下多物理场耦合复杂等问题。

本发明浅海信道下弹性结构辐射声场的计算方法按以下步骤进行：

一、以结构声源的结构几何中心为原点建立柱坐标系，使得海底海面边界与r轴平行；

二、取一圆柱面r＝r₀(r表示圆柱半径)作为界面，所述该界面能将结构声源完全包住，并将声场分为有源区域与无源区域；

三、根据结构-流体-边界耦合方程计算有源区域声场值(即声压值，区域内的声压值作为有源区声场计算结果，边界柱面上的声压值用于后面的通过简正模式分解获得模式系数)；

四、根据浅海边界条件和海水参数，计算出深度(z坐标)方向与周向角方向的模式函数，然后根据计算获得的有源区柱面边界声场值计算出模式激发系数

五、将激发系数和有源区域计算结果带入公式

即得到无源区域声场值；

六、合并有源区域声场值和无源区域声场值，即得到完整的浅海信道下弹性结构辐射声场；

其中，步骤五中是k_rn为水平波数，k_zn为垂直波数；n为深度方向模式号，m为周向模式号，为m阶第一类汉克尔函数，为周向角，具有2π周期性；α取0时代表关于对称的模式，α取1时则代表关于非对称的模式。

进一步，步骤四中所述浅海边界条件和海水参数包括海水密度ρ₁、海底密度ρ₂、海底波数k₂、海底声速c₂和吸收系数α₂；深度方向模式函数Z_n满足海面边界条件满足Z_n(z)|_z＝0＝0，海底边界满足其中，

进一步，步骤三所述结构-流体-边界耦合方程为