时域有限差分法及其在室内声场模拟中的应用

时域有限差分法将声波基本方程表示为一个时间和空间的迭代方程组,实现对室内声场中低频段的模拟计算。在介绍时域肯限差分法基本原理的基础上,着重探讨采用时域有限差分法模拟室内声场时边界条件的处理方法及该方法在室内声场模拟中的应用。分析了该方法存在的一些问题及其应用前景。     

浅海起伏海底环境下的声传播

起伏海底对浅海声传播有着极大影响。文章利用一次东海夏季水文数据,结合蒙特卡洛方法统计分析了浅海长距离起伏海底环境下的声场特性,并利用射线模型分析了海底起伏对声场不确定性影响的机理。结果表明,高频声波对海底起伏的变化更为敏感,传播损失的概率分布更为分散。负跃层环境下,当声源位于跃层下方时,起伏海底对位于跃层下方接收点的声传播影响更为明显。等温层环境下,起伏海底对声传播的影响相比于跃层环境影响更小。起伏海底的倾斜度越大,声传播损失越大。对于相同倾斜度的起伏海底,相对起伏的大小,即起伏海底高度与海深的比值,比起伏周期的变化对声传播的影响更大。     

海洋涡旋地震成像的时域有限差分仿真

传统的水声建模方法只考虑水中声波的折射影响,忽略了水层间的声反射,因此不能对反射波地震勘探的海水分层结构成像结果进行分析。文章首先建立了基于时域有限差分的低频宽带脉冲信号传输预报模型,该模型考虑海水分层结构的声反射影响,通过数值求解波动方程计算低频宽带脉冲信号近距离传播过程中的时域波形;其次将某次海上多道地震测量的水文条件作为输入环境参数,计算了近海面地震勘探接收阵所接收的气枪低频脉冲信号时域波形;最后按照反射波地震勘探处理流程,对接收阵信号在共反射点进行相干累加和地震成像,所得到的海水分层结构成像结果与海上多道测量成像结果符合较好。仿真结果验证了水层声反射对海水分层结构反射波地震成像的影响。     

时域有限差分算法与遗传算法在平面螺旋电感设计中的应用

文章通过电磁场时域有限差分(FDTD)算法与遗传算法(GA)相结合进行平面螺旋电感设计。通过优化单元网格大小，可优化设计整个平面螺旋电感（包含空气桥）的结构尺寸。介绍了该方法既能够进行严格的电磁场求解，又可以避免繁杂的实验过程，是优化设计的一种有效而准确的手段。     

浅海负跃层对声传播影响的仿真研究

0引言夏秋季节,在浅海常常存在强烈的季节跃层,季节跃层对声传播具有重要影响。在负跃层海域,海水可以分成三层,在上层和下层声速随深度变化缓慢,而在中间层变化剧烈。在这种环境下,声传播特性强烈的依赖于跃层的深度、厚度和强度。本文采用浅海声传播的波束位移射线简正波(BDRM)理论[1,2]定量分析浅海负跃层对声传播的     

随钻电磁波测井响应时域有限差分数值模拟

应用时域有限差分法研究了随钻电磁波测井在各向异性地层中的响应特性和瞬态传播特性,计算了单轴和双轴电各向异性地层中的随钻电磁波测井响应,分析电各向异性地层参数变化(垂直电导率和水平电导率)、频率变化等对测井响应的影响。研究结果为随钻电磁波测井在电各向异性地层中的响应解释提供了理论基础。     

流域网格中嵌入式复杂声源的时域传播仿真

针对声学商业软件较难模拟任意形状、时变复杂声源的声辐射问题,使用有限体积法在时域内求解无声源项亥姆霍兹(Helmholtz)方程,将复杂声源嵌入到有限体积单元节点,推导了由给定声源表面声压或振动位移得到速度势公式,提高了声源处理的灵活性和计算效率。该方法允许对初始场问题及复杂时变声源声辐射进行仿真。对常见声源及二阶圆柱体声源声辐射进行了数值模拟,结果与解析解及商业软件结果进行了对比,误差均小于15%。程序具有良好的封装性及通用性,可以灵活地对不同声源进行组合,得出任意复杂声源时域的传播规律,为复杂声源声辐射等线性声学问题的研究提供了一个可靠的平台。     

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。     

基于波叠加方法的水下声源辐射声场预报及实验研究

根据基于波叠加方法的声全息技术研究了水下声源的辐射声场预报问题,通过水听器阵列测得的复声压预报三维空间声场的声特性。数值仿真分析了一有限长圆柱壳模型在不同频率力激励作用下的声场预报精度,发现测量阵列尺寸与结构尺寸相近即可准确预测声场。水池和湖上实验分别对柱形换能器声源和加肋双层圆柱壳受激辐射声场进行了预测并和实测值进行了对比,结果表明该方法是一种稳健有效的声场预报方法。不同频率下,二者误差一般在3dB以内,能够满足工程需要。为实际水下大型结构的空间声场预报和降噪性能预估提供了工程参考。     

一种基于流固耦合问题的低频散射声场预报方法EI北大核心CSCD

提出了一种流固耦合作用下的低频散射声场预报方法。从边界积分方程出发,推导弹性散射中流固耦合方程,通过引入附加质量、附加阻尼、附加压力概念实现解耦。将弹性散射表述为纯刚性散射项与二次辐射项的叠加,建立了刚性散射与弹性散射的联系。与辐射问题不同,散射中流体对结构的作用不仅表现为附加质量和附加阻尼,还存在一个与结构响应无关的压力项,且该压力项是二次辐射项的激励源。采用Fortran编写了边界元算法程序,用DMAP语言实现与Nastran的对接,形成了完整的散射声场预报方法,通过与理论结果对比,验证了预报方法的正确性。圆柱壳散射的计算结果表明:低频散射时弹性不可忽略;圆柱壳厚度对弹性散射强度和指向性有明显影响;肋骨对柱壳散射的影响与振动形式有关,环肋骨对以弯曲模态为主的弹性散射影响很小。     

空气声源激发的浅海声场的理论研究

研究了将空气中声速分布建模为Epstein分布,水层和海底均为均匀分布的三层介质模型的条件下,空气中点源激发的水下声场。既推导得到了声压场的形式解,通过数值分析,表明空气中点源激发浅水波导,在水层中形成的波导简正波具有实数本征值,可以远距离传播,称其为"水波"。空气层中的Epstein波导简正波在水层中为非均匀波,传播速度取决于空气中声速,称其为"水面波",并指出空气中声源运动产生的水面波多普勒频移大于水波多普勒频移。     

浅海负跃层海底单参数模型研究

海底反射特性在浅海声传播中起着决定性的影响。用小掠射角下海底反射损失随掠射角变化率Fd B构建单参数模型可很好地描述浅海海底特性。对单参数模型进行深入研究和改进,建立了在浅海负跃层条件下描述水下声场的海底单参数模型,并利用数值仿真和海上实验数据,对浅海负跃层海底单参数模型水下声场预报的正确性进行了验证。     

浅海低频声场的水平纵向相关性

基于一次浅海声学实验数据,研究了浅海低频声场的水平纵向相关特性。利用简正波干涉理论,对实验结果中声场水平纵向相关的振荡结构与强烈起伏现象进行了分析与解释。声场水平纵向相关的振荡结构是由简正波干涉所致,该实验结果进一步验证了该现象在浅海低频条件下的普遍性。当实验中采用的爆炸声源的标称深度位于声场中某号有效简正波的一个波节附近,声源实际爆炸深度的较小变化引起该号与其它号有效简正波幅度比值的较大变化,从而在有效简正波号数较少的情况下引起了声场水平纵向相关的强烈起伏现象,该现象表明在一定条件下声源深度是浅海低频声场水平纵向相关的一个敏感参数。     

分层浅海海洋环境噪声场的射线预报方法

海洋环境噪声场是一个随地域、时间变化的复杂的场，现场快速预报对于环境匹配的声纳系统有重要意义。文章中利用射线声学模型计算了等声速分布、负梯度声速分布、正梯度声速、及任意声速分布条件下分层浅海海洋环境噪声场的指向性、噪声强度和相关函数随深度变化的规律。研究表明：分层浅海海洋环境噪声场与海底特性及声速分布有很大关系；利用射线预报方法可以快速预报分层浅海海洋环境噪声场。     

水下稳态涡流场声传播的数值模拟和实验研究

声波穿过涡流场时声传播特性会发生改变,可由此判断涡流场的存在及其特征参数。文章首先推导了二维稳态涡流场的射线微分方程组,实现了声波通过涡流场的声线轨迹模拟。然后开展水池超声传感器实验,采用现代计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真方法获取涡流场参数。最后将通过涡流场声信号的时延结果,与实验测量值进行对比分析。结果表明,对于涡核半径为30 mm,最大切向速度为1.2 m·s^-1的涡流场,数值模拟误差小于10%,验证了基于射线声学的水下稳态涡流场声传播数值模拟的有效性。     

传播波与倏逝波对全息重建影响的研究

通过分析近场声全息中传播波和倏逝波的声场分布与声源大小、辐射频率及测量距离的关系,得出了传播波和倏逝波在空间声场中的变化规律、影响因素以及两者之间的对应关系,确定了可利用的倏逝波传播距离。在此基础上,提出了一种改进的远场声全息方法：首先利用传统远场声全息方法重建声源,然后通过传播波与倏逝波的关系,得出声源面上相应的倏逝波成分,两者叠加获取接近于近场声全息的重建结果。最后,通过仿真和实验验证了这一结果。     

声速分布对浅海低频声场空间相关的影响研究

针对浅海低频环境下水中声速分布对声场空间相关性的影响问题,利用基于抛物方程方法的RAM程序,仿真分析了声场空间相关特性在浅海不同声速梯度、不同阵元间隔下的变化规律。研究结果表明:在浅海低频环境下,正声速梯度值越大,垂直相关系数衰减越慢,水平纵向相关系数则相反;随着正声速梯度值的增大,垂直相关长度和水平纵向相关长度均呈现剧烈波动。负声速梯度值越大,垂直相关系数衰减越快,水平纵向相关系数则相反;随着负声速梯度值的增大,两类空间相关长度均缓慢波动。     

基于垂直线列阵数据提取浅海波导声传播参数的模值追踪法

垂直水听器线列阵接收的声数据或其互谱密度矩阵可以用来提取浅海波导声传播的简正波模深度函数、水平波数和海底参数。在实际应用中,布放在海洋中的垂直水听器线列阵不可避免地产生倾斜。计算机仿真结果表明,垂直阵的倾斜使提取参数误差大幅增大。针对此问题,提出模值追踪法,构建模值追踪代价函数,对垂直水听器线列阵声数据互谱密度矩阵的本征矢量的模值进行逼近。仿真结果表明,模值追踪法可以有效消除基阵倾斜的影响。在仿真条件下,水平波数估计误差小于0.1%,海底相移估计误差在±1.1范围内。     

基于Argo资料的深海温跃层对水声传播的影响分析与仿真

利用Argo网格化数据分析日本以南小范围海区内的温跃层时空特征,其主跃层和季节性跃层的双跃层结构明显。依此利用UMPE(University of Miami Parabolic Equation)抛物方程模型分析与仿真深海温跃层及其季节变化对水声场的影响。分析发现:相似系数为1的两个声速剖面的传播损失几乎完全相同;夏季声源较浅时,会在以声源为中心小直径圆形区域内形成声影区;声源深度相对于跃层越大,跃层对水声场的影响越小;高频较低频受跃层影响更大。     

基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法

针对多泄漏点产生的声发射信号及环境噪声对供水管道泄漏定位的影响,进行供水管道多泄漏点声定位方法研究。发展了一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法,研究迭代递推中品质因数阈值、信噪比阈值、相位偏移量的寻优区间和泄漏相关时频点的判定阈值等参数选择对泄漏定位效果的影响,并优选出适合的参数值。在此基础上,进行供水管道多漏点检测实验;结果表明,该方法可以实现管道上多个泄漏检测和定位,且定位误差小于1 m。研究工作为实际供水管道多泄漏点检测及定位提供了可行的解决方案。