[发明专利]一种海洋声信道中复杂结构辐射声场计算方法

说明书

一种海洋声信道中复杂结构辐射声场计算方法，属于声学数值计算技术领域。突破传统边界元法只适用于自由场声场计算的限制，建立了海洋声信道中的声场格林函数。采用分层矩阵压缩技术，将辐射阻抗矩阵划分成一系列不同尺寸大小的层次型矩阵块，并进一步利用迭代方法求解矩阵方程。与现有技术相比，本发明的效果和益处使传统边界元法声学计算功能从无限大均匀介质拓展到海洋信道有界空间，能够考虑海面、海底边界、声速梯度分布影响。另一方面，对辐射阻抗矩阵分层压缩，利用矩阵块的低秩特性近似分解大幅度降低对计算机内存的消耗，而且不受复杂海洋信道条件下声场格林函数多样性影响，算法适应性好。

技术领域

本发明涉及一种声学数值计算方法，尤其涉及海洋声信道中复杂结构辐射声场的快速边界元计算方法。

背景技术

海洋声信道对壳体振动及声辐射的影响很大，计算时需要考虑水底、水面的反射和吸收，远场传播计算更取决于海区的声速梯度分布和海面、海底地质条件等声信道因素，这使得海洋信道中的结构辐射声场计算困难。

现有技术中，人们把复杂结构辐射声场计算问题与声波在海洋信道中的传播问题分别进行研究。前者将海水介质处理成理想均匀声介质，并常常忽略海面和海底边界的影响；后者往往将声传播的研究对象集中在单极子点声源上。关于实际海洋信道环境中大型复杂结构声辐射问题的研究，目前还鲜见报道。

当今世界科学活动除理论研究及实验研究外，数值计算是重要的研究手段，其中边界元法是解决复杂结构声学问题常用的数值计算方法之一。但传统声学边界元法有以下缺点：(1)传统边界元法中采用自由场格林函数，不适合处理有界空间中声辐射问题；(2)边界元法所采用节点对节点的计算方式，其运算量与总自由度数的立方成正比。求解大规模问题时，其运算量和存储量都将剧增，极大地限制了边界元法在大规模工程问题中的应用。因此，传统边界元法难以用来计算海洋信道环境中复杂结构声辐射问题。

发明内容

本发明目的是提供一种考虑海面、海底参数及声速剖面影响的海洋声信道环境中，用于复杂结构声辐射近、远场特性的快速边界元计算方法。

本发明的技术方案为：(1)针对传统边界元法适用于自由场声场计算的限制，建立海洋声信道中的声场格林函数。分别利用虚源法构造近场格林函数，计及了海洋信道界面影响。利用简正波法构造海洋声信道中远场格林函数，声传播过程考虑了信道因素影响。(2)针对传统边界元方法高内存占有量和高运算量的固有缺点，采用分层矩阵压缩技术，通过对传统边界元的节点根据拓扑结构重新分区和编号，将辐射阻抗矩阵划分成一系列不同尺寸大小的层次型矩阵块，近区场精确存储并按照传统边界元运算方法处理，远区场存储为低秩矩阵形式作矩阵压缩近似处理。进一步利用迭代方法求解矩阵方程。

与现有技术相比，本发明的效果和益处是一方面使传统边界元法声学计算功能从无限大均匀介质拓展到海洋信道有界空间，能够考虑海面、海底边界、声速梯度分布影响。另一方面，对辐射阻抗矩阵分层压缩，利用矩阵块的低秩特性近似分解大幅度降低对内存的消耗，而且适用于不同的声场格林函数，不受复杂海洋信道条件下声场格林函数多样性影响，算法适应性好。

附图说明

图1是本发明实施例的计算流程图。

图2是本发明中边界元模型区域示意图。

图3是本发明采用虚源法实施近场格林函数计算时，虚源图像及其发射声线示意图。

图4是本发明引入分层矩阵压缩技术时，进行远、近区块分层划分示意图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明计算方法流程图如图1所示，具体可以分为四步：

步骤一：