[发明专利]基于耦合FEM-PE的海洋信道下弹性结构声辐射预报方法

说明书

本发明提供的是一种基于耦合FEM‑PE的海洋信道下弹性结构声辐射预报方法。首先建立海洋信道环境下结构声辐射多物理场耦合理论模型，利用有限元法FEM获取深度方向一维截线上辐射声场，采用分段三次艾尔米特插值法进行FEM声场信息与抛物线方程法PE格点在空间上的完美匹配即FEM‑PE耦合条件后，把该辐射声场信息作为PE有限差分法计算的初始条件，然后设置PE法相关参数后进行海洋信道下弹性结构在任意场点的声场快速预报。本发明对弹性结构和海洋信道适应能力强，且计算结果准确效率高，使用简单易于推广。有效地解决目前在研究海洋信道下弹性结构声辐射预报时所遇到的计算量大、物理场多和信道环境复杂等诸多瓶颈性问题。

技术领域

本发明涉及的是一种海洋信道下弹性结构辐射声场预报以及水声目标探测和信道海洋环境参数反演等领域下高效准确的研究方法。

背景技术

弹性结构在海洋信道下的声辐射预报方法的研究，对开展结构振动辐射噪声实时预报和有效控制具有重要的理论研究价值，对海洋信道中辐射噪声的实时监测预报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信道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，对于海洋信道下弹性结构多物理场耦合声辐射问题的研究尚不多见。因为信道下结构声场问题涉及流固耦合、声壳耦合甚至声与复杂海底边界的声边界耦合等复杂多物理场耦合环境，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；解析解法只能分析部分简单结构在简单信道下的声场问题，对复杂海洋信道下任意弹性结构的声辐射研究也无能为力，也有部分学者提出直接忽略结构与流体、结构与环境的耦合作用，把结构视为点声源，但这样直接忽略了结构的近场声辐射特性。针对海洋信道环境的研究，通常采用海洋声传播理论(抛物线方程法，简正波法，波数积分法等)进行信道环境分析，抛物线方程法(PE)因为在进行远距离声场计算结果准确，计算速度快和适应性强等特点，受到了各国研究者的青睐，但研究对象通常为海洋信道下点源模型，对海洋信道下弹性结构声辐射研究很少涉及。以上共同导致了无法从理论解和数值法角度有效地开展信道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信道中结构声辐射问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对弹性结构和海洋信道适应能力强，结果准确效率高，使用简单易于推广的基于耦合FEM-PE的海洋信道下弹性结构声辐射预报方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一，建立海洋信道下弹性结构声辐射局域多物理场数值模型，采用有限元数值法分别对流固耦合、声边界耦合和无穷远处Smerfield辐射条件进行声学定义，计算局部海洋信道流体域下的声场信息；

步骤二，进行三维信道空间下二维声场处理，通过远场场点与结构中心在竖直方向形成二维截面，并在距离结构中心一定距离处的深度方向上选取一维截线，提取该截线上的复声压信息作为声场外推抛物线方程法的初始场信息；

步骤三，对有限元计算提取的声场信息进行与声场外推抛物线方程法初始场的匹配，使有限元计算结果完整地匹配到抛物线方程法空间初始场的每个格点；

步骤四，设置与有限元相同的信道环境参数和场点位置，对信道下任意场点声压进行声场外推抛物线方程法的快速计算，得到海洋信道下结构声辐射特性，用于进行信道下弹性结构辐射声场快速预报。

本发明还可以包括：

1、所述在距离结构中心一定距离处的深度方向上选取一维截线中，一维截线水平距结构中心的距离为计算频率对应的波长即l≈λ。