[发明专利]Pekeris波导下结构声振计算的FE/WSM方法

说明书

本发明公开了一种Pekeris波导下结构声振计算的FE/WSM方法，包括：采用有限元法建立局域Pekeris波导下弹性结构声辐射多物理场耦合模型，进行三维Pekeris波导下弹性结构离散处理；通过有限差分法联立求解各个耦合模型，提取局部Pekeris波导下结构表面振动数据矩阵；采用波叠加法进行弹性结构内部虚拟点声源的空间优化布放，并基于球面波分解的精准镜像源法求解近场Green函数，获取各个虚拟源与结构表面离散节点的传递矩阵，通过振动数据、传递矩阵的逆运算求解近场各个虚拟源的声源强度；通过简正波扰动理论求解远场Green函数，以及计算各个虚拟源到场点的单极矩阵；将声源强度与对应的单极矩阵相乘获取声场；将各个离散虚拟源在远场场点产生的声场进行叠加求和，以等效为连续弹性结构的辐射声场。

技术领域

本发明涉及浅海环境下弹性结构声辐射预报、声学测量、水中目标探测和识别等领域，尤其涉及一种基于FE/WSM(有限元/波叠加法)的Pekeris(皮克里斯)波导下弹性结构声振计算方法。

背景技术

由于人类对资源的开发和保护活动中逐渐由陆地转移到海洋，在由大陆架向海洋延伸的广泛过渡区域，属于水深小于200米的典型浅海环境，在该区域存在大量的水下航行器、输送管道和海洋平台等弹性结构，弹性结构在浅海下的声振特性研究近年吸引了学者的极大关注。对海洋波导中辐射噪声的实时监测预报、噪声控制和目标探测识别具有举足轻重的作用，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。

然而，目前弹性结构在海洋波导下的振动与声辐射研究的流体域大多考虑为无界或半空间流体域，对于海洋波导下弹性结构多物理场耦合声辐射问题的研究尚不多见。不同于以往自由场环境下弹性结构声辐射机理，浅海下的结构耦合振动和辐射声场会受到水面和水底边界反射声的重要影响，首先边界反射声会作为激励条件反作用于结构表面和附近声场，改变结构的激励属性和流固耦合作用，其次，边界反射声会与直达声干涉叠加远场声场，使得辐射声场能够在上下边界的限制下远距离传播。所以，其辐射声场计算是一个复杂的物理问题，需要充足的物理模型来描述结构与周围的流固耦合、边界反射声与结构的声壳耦合和在海底交互作用面上声与海底介质的耦合作用，而且计算方法不仅需要能分析上下边界影响下的近场耦合振动和辐射声场特性；还能研究辐射声场在浅海中的传播规律。

波导下结构声场问题涉及复杂的多物理场耦合环境，在这些耦合条件下数学理论推导难以求解，数值模型无法建立、结构表面振动信息难以获取。传统数值法(边界元法BEM、有限元法FEM、统计能量法SEA等)将受大网格计算量和复杂海洋环境和多物理场耦合等因素的严重限制，无法开展相关研究工作；理论解法一般采用镜像法原理，通过平整的镜像边界考虑浅海上下边界对结构声源的反射作用，但是这种方法的前提需要已知结构辐射声场的表达式，所以只能分析部分简单结构在简单波导下的声场问题，对复杂海洋波导下任意弹性结构的声辐射研究也无能为力。也有部分学者借鉴海洋声传播理论(如射线法、简正波理论、抛物线方程法和波数积分法以及混合方法等)的研究成果，类比分析结构声源在浅海波导下辐射声场的传播规律。虽然，随着距离的增加，具有几何尺寸的结构声源可近似等效为单个点源，其辐射声场的传播规律采用点源计算获取，这样的类比分析具有一定的借鉴价值。但是在近场直接忽略结构与流体、结构与环境的耦合作用，无法准确地进行弹性结构近场声场相关领域(声场测量、减振降噪和近场声辐射特性等)的研究。以上共同导致了无法从理论解和数值法的角度有效地开展波导下弹性结构声辐射研究，但它对海洋中水下结构声辐射、预报和识别有极为重要的意义，急需探索一种新的研究方法来解决海洋波导中结构声辐射问题。

发明内容

本发明提供了一种Pekeris波导下结构声振计算的FE/WSM方法，本发明对弹性结构和海洋波导环境适应能力强，计算准确高效，且易于在实际工程应用中推广，详见下文描述：

一种Pekeris波导下结构声振计算的FE/WSM方法，所述方法包括：