一种基于波数积分方法的线源声场计算方法

提出了在Pekeris波导条件下,一种基于波数积分方法的线源声场中的稳定数值计算方法。通过对深度格林函数中上行波与下行波的归一化,得到稳定的系数矩阵,从而求得格林函数的解析解。对深度格林函数进行模式展开,验证了该方法得到的深度格林函数解析解的准确性。结合仿真实例,将该方法得到的波数积分模型与传统简正波模型KRAKENC的结果进行比较,结果显示,当某号简正波的波数与海底波数接近时,KRAKENC计算不出该号简正波,会导致KARKENC的计算结果不准确,而波数积分方法可以很好地解决该问题。因此,提出的方法可以作为Pekeris波导中线源激发声场的标准模型。     

浅海波导中水平时反线列阵布放深度选择研究

以浅海声传播模型为基础,通过计算机仿真分别在理想等声速的Pekeris波导中和接近实际的仿真典型浅海分层波导中观察到以下现象:在理想等声速的Pekeris波导中,由布放在探测声源深度或者其对称深度位置附近的水平线列阵时反后在探测声源处得到的聚焦强度最大;在仿真浅海波导中,只有布放在探测声源深度上的水平线列阵时反后在探测声源处得到的聚焦强度最大。利用简正波建模从声源产生的声场在不同深度上的分布情况出发解释了以上现象的物理机理。由此可以得出结论:与探测声源同深度布放的水平线列阵时反后可以得到最佳的聚焦性能。     

矩形孔径参量阵相控非线性声场建模与实验研究

为了解决一阶抛物近似KZK方程无法直接对相控非线性声场进行建模的问题,依据原频声场准直特性构建等效参量阵原频自然指向性声场模型,建立其与原频相控声场的等效关系,将相控非线性声场的建模问题转换为等效参量阵声源条件的求解问题,同时提出算子分裂时域有限差分数值计算方法,实现了基于KZK抛物方程的矩形孔径参量阵相控非线性声场数值计算。以SES2000标准型参量声呐辐射相控非线性声场为研究对象,开展了计算机仿真和水池对比实验研究,研究结果验证了构建声场模型及其数值计算方法的有效性。     

声场波数积分截断波数自适应选取方法

在采用波数积分法进行声场计算的过程中,需要选取合适的积分截断波数,文章提出一种应用于流体介质中宽带声场波数积分计算的截断波数自适应选取方法。首先根据波数域格林函数的衰减特性构造一个数学模型,然后利用卡尔曼滤波器对该数学模型的拟合参数进行跟踪和预测,最后根据预测的模型参数计算截断波数。仿真试验结果表明,该方法实现了给定精确度下的积分截断波数自适应选取,能够克服现有方法不能兼顾低频段精确度和高频段计算量的问题,并且不会引入太多额外的计算量。     

一种可稳定计算负跃层浅海环境下声场的波数积分方法

提出了一种可以稳定计算负跃层浅海环境中声场的波数积分方法,通过对艾里(Airy)函数的归一化,得到了声源位于水体不同层中的系数矩阵,该系数矩阵是无条件稳定的。结合仿真实例,将该方法的计算结果与 Airy函数未作归一化得到的计算结果进行比较,结果显示,当 Airy函数未作归一化时,在某些情况下不能保证深度格林函数的足够收敛性,而该方法可以很好地解决该问题。同时将该方法的计算结果与简正波模型 KRAKENC的计算结果进行对比,结果表明,文中提出的数值计算模型可以作为负跃层浅海环境中声场计算的有效补充。     

半空间内二维圆柱声散射理论解析解

采用理论解析方法研究半空间内二维非紧致圆柱的声散射。齐次Helmholtz方程的解在柱坐标系内用自由空间格林函数的级数展开式表示。基于镜像源方法,利用刚性半空间边界反射圆柱散射声波来解决半空间边界和圆柱之间的多重散射。结合等效源原理,处理半空间边界质量型阻抗特性和刚度型阻抗特性对声传播的影响,推导单位强度简谐单极子点声源产生声场的理论表达式。总声场可以表示为四个分量的总和:入射声场、反射波以及圆柱和镜像圆柱的散射声场。采用边界积分方法对声散射进行计算,以验证理论公式的正确性。点声源模型的理论解析值与边界积分方法数值解在研究的波数和观察点角度范围内一致。     

声速剖面对浅海波导频散特性的影响研究

0引言对波导中频散特性的研究一直是水声物理领域的焦点之一[1]。本文重点研究具有弹性海底的Pekeris[1]波导环境下,流体层中声速剖面(Sound speed profile,SSP)对波导频散特性的影响。1理论研究本文主要针对具有半无限弹性海底下的Pekeris模型进行研究。在柱坐标系下,考虑二维(r,z)下的点源激发声场,声场模型如图1所示。     

一种适用于浅海小信噪比条件的声源目标定位技术

文章将匹配场处理技术引入一种新的目标运动分析方法——长时间积分法中，用根据实际海洋传播条件计算所得的声场作为拷贝场向量，替代传统方法中所采用的平面波模型。由于充分利用了声场的空间结构，使得该方法不仅能够完成传统目标运动分析中定出目标方位的功能，而且还可以定出其距离和深度。同时，因积分时间的增加还大大提高了对目标的检测性能。该方法可用于解决小信噪比条件下，声源目标的检测和定位问题。尤其适用于浅海、在声信号的传播因受波导和多途现象影响而严重偏离平面波的情况。仿真结果表明：采用平面波模型时，在信噪比低于-28dB时，声源目标参数就已相当模糊；而当采用匹配场处理技术，在信噪比降为-33dB时，仍可精确地得到声源目标的参数。     

利用波导不变性概念实现声源定位的实验研究

本文利用波导不变性概念对Bartlett匹配场处理器距离-频率模糊度表面上旁瓣轨迹所包含的声源位置信息进行了理论分析,并结合计算机仿真以及某次海试数据进行了旁瓣结构定位技术的验证.浅水波导中,波导不变量β能够表征声场中干涉图像和色散特性这类最重要的声场相干特征,并可以反演声源的位置信息.Bartlett匹配场处理器距离-频率模糊度表面上呈现出的若干条连续的旁瓣结构是波导不变性特征的直接表现.仿真研究和海试数据分析表明,利用旁瓣结构进行声源定位较之利用主瓣结构进行声源定位具有更好的宽容性.     

实验室动态

正浙江省计量院独立完成的科研项目获浙江省科学技术进步奖三等奖近日,浙江省科学技术奖励大会在杭州召开,由浙江省计量院作为唯一承担单位完成的《标准近似点声源研制及声场研究》项目获2020年度浙江省科学技术进步奖三等奖。《标准近似点声源研制及声场研究》项目基于声波导理论及分层介质原理,针对声场评价、优化与检测及声源定位系统应用所需声源要求,设计、研制了满足近似点声源要求的标准声源,     

双层介质声传播问题的标准解及有限元解

文章通过双层介质中的声传播问题,研究了有限元方法在水下声场计算中的应用。基于传统的Galerkin方法推导出水下声场的有限元方程,采用四节点四边形单元离散求解物理域,可选择辐射边界条件、DtN (Dirichletto Neumann)非局部算子、完美匹配层来处理出射声场,得到有限元解。为了验证该有限元模型,需要高精度的参考解。水平不变均匀介质中的声传播问题存在解析解,但双层介质问题不存在解析解。因此,对于双层介质声传播问题,使用波数积分法推导出标准解。分别考虑了有限深度和无限深度双层介质两种情况,并进行了数值模拟。数值结果表明,文章所提的有限元模型与参考解非常吻合。此外,还发现当某号简正波的本征值非常接近割线时,简正波模型KRAKEN难以准确计算该号简正波的本征值,从而声场计算结果存在明显误差;但是有限元方法不需要计算本征值,所以当KRAKEN模型出现此类问题时,有限元方法仍能给出准确的声场计算结果,表明有限元方法在普适性方面优于简正波方法。     

基于无单元声波叠加的自辐射近似解析表达研究

传统波叠加法中虚拟声源必须设于结构体内离表面一定距离处,否则会使算法中的自辐射项中的格林函数产生奇异性,无法正确计算声场。针对这一问题,研究了针对振动结构辐射表面离散化域形成的无单元空间离散域波叠加计算方法,采用奇异点挖去法、部分积分区域替换法和不变量嵌入法克服当声源点与接收点重合时格林函数的奇异性问题,得到自辐射声压项和速度项的非奇异表达。然后利用速度边界条件确定声源强度和声压。通过具有解析解的脉动球源的例子验证,该近似解析表达式能较好地代表声压和速度自辐射项,从而实现声场的预测。     

离心泵作透平流体诱发外场噪声特性及贡献分析

以某离心泵作透平为研究对象,对流体诱发的外场噪声特性进行了数值计算和试验研究。在典型流量下,采用雷诺时均方法获取壁面偶极子声源,并利用FEM/AML方法求解出叶轮和壳体偶极子源作用的流动噪声,基于声振耦合法计算出流体激励结构振动产生的外场流激噪声,分析不同性质噪声源的频谱特性,同时评估外场声源在各个频段下的贡献量。借助模态试验对透平壳体结构的模态参数进行了识别。结果表明,计算与试验振型近似,固有频率平均相对误差小于4.60%。结构的影响使得外场五阶叶频处声压最高,二阶叶频处次之。壳体偶极子作用的流激噪声对外场噪声的贡献最大,其次是壳体偶极子作用的流动噪声,叶轮偶极子作用的流激噪声对外场噪声贡献最小。研究结果为低噪声叶轮机械设计提供了一定的参考。     

深海海洋环境噪声垂直相关性研究

海洋环境噪声场是海洋中的固有声场,其空间结构特性是影响水声系统的重要因素之一。在风成海洋环境噪声波数积分模型的基础上,对深海噪声场的垂直相关性进行了研究。通过数值仿真讨论了深海环境下,海底声速、衰减系数、海面噪声源深度及接收器深度对均匀分布于海面附近的噪声源的垂直相关性的影响。仿真结果表明:噪声场的垂直相关随海底声速、衰减系数和接收器的绝对深度的变化较小;高频噪声的垂直相关性对噪声源的深度较敏感,低频噪声的垂直相关性受噪声源深度的影响几乎可以忽略。在此基础上,分析了某次海试噪声数据,并结合数值计算结果对实验测得噪声数据的垂直相关性进行了合理的解释。     

旋转点声源声场的数值仿真计算

旋转声源辐射声场的计算是利用点源模型预测风扇离散噪声的关键所在,对叶片式机械气动噪声的研究具有重要参考价值.提供了在任意边界条件下计算旋转点声源辐射卢场的数值仿真计算方法.将连续的旋转声源离散化,处理为分布于旋转轨迹上的有限个固定点声源.利用离散化处理后的声源,通过边界元法分别计算旋转单极子和旋转点力源的辐射声场.在自由空间内的计算结果与理论解进行了对比验证,得到较为理想的结果:另外进行了有限长圆管内旋转点声源辐射声场的数值计算,由此对不同长度圆管的结果进行对比,分析了管道长度对声场分布以及指向性的影响规律.     

石墨烯薄膜热声性能的三维数值计算与测试

对石墨烯薄膜进行电-热-声耦合的三维建模计算,并将计算结果与实验测试值进行对比分析。首先建立了通电石墨烯薄膜焦耳热的三维模型,计算出石墨烯薄膜表面的温度振荡和稳态温度分布;在此基础上,建立了热黏性声学和压力声学耦合的声扩散模型,计算出空间中声压的分布;分析了基底和空气参数对石墨烯薄膜发声的影响;最后对通电石墨烯薄膜进行温度测试和声压测试。结果表明：三维模型数值计算的温度分布与测试结果吻合良好,数值计算的声压值比一维近似解析解更接近实验值,验证了数值计算方法的有效性。三维模型的数值计算方法在复杂边界条件下分析薄膜的声学性能更具优势。