[发明专利]深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法

说明书

本发明提出了深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法，属于水声技术领域。所述方法包括以下步骤：步骤一：采用多物理场耦合FEM理论建立波导下结构声辐射的准确模型；步骤二：提取结构声辐射准确模型中的r₀处准确的初始场信息，然后进行PE初始场空间格点匹配；步骤三：对经过PE初始场空间格点匹配的结构声辐射准确模型进行结构辐射声场N个2D的PE步进计算。本发明利用有限元法对结构、流体环境适应性强和抛物方程法对声场计算快速准确的优点，提出了深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法。该方法对结构和深海环境适应性强，中低频段下声场计算效率和精度较高。在深海波导下结构辐射场计算的准确性、收敛性和高效性方面具有显著优势。

技术领域

本发明涉及深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法，属于水声技术领域。

背景技术

深海波导下弹性结构声辐射研究需要结合海洋声传播相关理论来重点考虑结构辐射场的传播问题，针对简谐点源的声传播问题，各国学者主要采用抛物方程法、简正波法、波数积分法以及耦合简正波抛物法等多种方法进行海洋声传播、海洋声反演和声场测量、预报等领域的研究。其中抛物方程(PE)法是目前较为简便且高效的波动理论方法，该方法的优点在于其构成了距离初始问题，只要给定初始距离上沿深度方向分布的源场，便可按距离步进的数值技术进行求解，其计算过程简单、效率高、对海洋环境适应性好。目前已有大量的研究不断提高了PE计算的精度、速度和适应性，使得PE已能够解决楔形的液-液、固-固和液-固交界面以及无限大边界等复杂边界下的声传播问题，并由标准二维PE拓展为三维PE声场问题，不断完善了PE在不同海洋环境下的理论模型，使其应用范围更加广泛。

深海波导下弹性结构声辐射研究还需要重点关注三维结构源的声振特性，而对于目前多边界耦合影响下的结构声振问题，解析法难以建立理论模型，实验法代价大且周期长。有限元法(FEM)对弹性结构和周围流体环境适应性强，能方便地解决多边界耦合环境下结构的声振问题，已成功应用于深海波导下弹性结构的声辐射研究。但因涉及有限元网格划分，其计算能力受到分析频率、结构尺寸以及声场计算距离的严重限制，所以一般采用有限元法建立近场局域流体下的结构中低频声辐射模型，计算获取近场声场信息，然后再结合其他方法进行远程声场计算，如有限元/波叠加法、有限元/声弹性理论、有限元/边界元法等，以有效地进行深海下弹性结构声辐射研究。

发明内容

本发明提出了深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法，其目的是为了解决深海弹性结构声辐射问题。

深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：采用多物理场耦合FEM理论建立波导下结构声辐射的准确模型；

步骤二：提取结构声辐射准确模型中的r₀处准确的初始场信息，然后进行PE初始场空间格点匹配；

步骤三：对经过PE初始场空间格点匹配的结构声辐射准确模型进行结构辐射声场N个2D的PE步进计算。

进一步的，具体的，在结构表面与外部流体接触的耦合面上，满足结构表面法向振动速度与外部流体介质的振动速度相同，得到结构与流体的耦合方程

其中K_ij为刚度矩阵，C_ij为阻尼矩阵，质量矩阵均为n×n阶矩阵，下标w，s和τ分别表示声学矩阵、力学结构矩阵和耦合矩阵，ρ₀为海水密度，u_i、p_i分别为位移和声压幅值，F_st、F_wt分别为结构和流体介质声的耦合激励载荷，ω＝2πf，为角频率，其中f为频率，j为复数部，定义耦合矩阵K_τ、M_τ为