[发明专利]一种海洋声场全波解的获取方法

说明书

本发明公开一种海洋声场全波解的获取方法，属于水声物理场分析及应用领域。本发明通过利用空间节点的位移和梯度信息共同重构波场量的高阶空间偏导数，在海洋声场计算时能给出声场的全波解，解决了现有大多数海洋声场获取方法不能处理的中、低频散射和混响问题以及粗网格下的数值频散问题，具有精度高、速度快的特点，利于大尺度模型下的海洋声场精确获取。

技术领域

本发明属于水声物理场分析及应用领域，更具体地，涉及一种求解海洋声场全波解的快速获取方法。

背景技术

目前常用的海洋声场数值获取方法包括射线法、简正波法、波束积分法、快速场方法、抛物方程法等，以上方法对大多数水下声场传播问题的数值求解是有效的，包括与距离有关或与距离无关的大范围声场传播问题。然而，这些方法的数值计算效率是通过牺牲数值方法的通用性来实现的，在数值求解时通过不同的假设和近似以适用于不同情况的声场传播问题，具有一定的应用范围。并且尽管利用这些声场传播模型成功地解释了所观察到的许多现象，但仍有一些尚未解决的科学问题无法用传统的数值方法精确地加以解决，特别是来自海洋边界的中、低频散射和混响问题。假设水平分层的波数积分法和简正波法，从本质上排除了这些散射和混响效应。同样，经典的抛物方程方法只处理单向传播，不能直接处理后向散射问题。为处理这些散射和混响效应，需采用能给出声场全波解的获取方法。

相比于以上几种水下声场数值获取方法，有限差分法直接对声波方程进行离散，可给出声场的全波解，能够处理中、低频散射和混响问题，适用范围更广。其以差分原理为基础，将波动方程离散成差分方程组，分别在时间维和空间维对连续波场的数据进行采样，即把连续域的问题转换为离散的问题，用离散点上的数值解来逼近连续域的真实解，在时空上再现声波的传播过程。但由于该方法在粗网格下数值频散严重，细网格时其计算量较大、耗时太长，不利于实际的海洋声场计算。除了提供基准解外，有限差分法很少用于一般的海洋声场传播问题，其在海洋声学中的应用要么局限于解决特殊的短距离散射问题，要么作为声场求解方法的一个组成部分。因此，为满足海洋声场远距离全波场的精确计算需求，需建立能给出声场全波解的大尺度声场快速获取方法。

发明内容

本发明提出一种求解海洋声场全波解的快速获取方法，适用于大尺度模型下海洋声场的精确计算，能够处理来自海洋边界的中、低频散射和混响问题。

本发明方法步骤如下：

步骤一：设置仿真初始条件，所述初始条件包括声源、介质类型、边界条件、空间步长、时间步长以及仿真时长；

步骤二：将波动方程在时间维进行离散化；

步骤三：将场量的时间偏导数转换为位移分量的高阶空间偏导数；

步骤四：将位移分量的高阶空间偏导数用位移分量及其梯度的线性组合表示；

步骤五：更新空间各处的位移分量及其梯度值；

步骤六：将步骤五中位移分量及其梯度值作为初值，重复步骤二至步骤五，在声场被更新以及边界条件得到满足后，输出当前各波场分量的值，如此迭代，达到仿真时长后，迭代计算停止。

进一步地，所述步骤二中将波动方程在时间维进行离散化具体步骤为，

二维均匀各向同性弹性介质中波动方程表示为：

式中u_x、u_z为质点在坐标系中x、z正方向上的位移分量；σ_ij(i,j＝x,z)为应力分量，包括正应力和切应力；λ和μ为弹性介质的拉梅系数；ρ为弹性介质的密度；

为给出求解海洋声场全波解的快速获取方法，定义如下记号：

利用泰勒公式求出U、V在第n+1时间层的近似表达式，即：