运动点声源声传播模型的数值算法

 从声传播的基础波动方程入手,推导了波导中运动点声源的声传播模型,并将推导结果发展为适用于计算机数值实现的简正波形式.该结果为采用匹配场处理技术对运动目标进行定位奠定了基础.     

海面波浪对空气中声源激发的浅海声场的影响

耦合简正波方法被用于计算存在海面波浪时空中声源激发的浅海声场特性.该耦合方法采用波束位移射线简正波理论与水平分段耦合处理方法.声场计算时选取Pekeris型浅海模型,声源频率选为100 Hz,高度为100 m,水下接收器深度为30 m,声源与接受器距离在5 km内.计算表明:5 m/s风速下风浪对接收到的平均声压和均方声压影响较小;10 m/s风速下风浪将使接收到的平均声压下降约5 dB,而接收到的均方声压则增加约1 dB.     

2005黄海声起伏实验中声场结构的特征分析

2005年9月的黄海声起伏实验中记录了脉冲声传播的实验数据。对数据的初步处理和分析发现接收到的声场数据存在明显的“拖尾”,为进一步分析此“拖尾”产生的原因,根据傅立叶合成法建立了脉冲声传播的宽带计算模型,根据实验中记录的海洋环境数据进行了脉冲声传播的模拟计算。对脉冲声传播的实验数据和模拟计算结果进行了对比,发现“拖尾”主要为耦合的简正波,“拖尾”的相对时间位置与发生声场简正波耦合的相对空间（距离）位置是对应一致的。据此给出了一种利用脉冲声传播的实验数据反演声波导发生较大变化位置或进行水中目标探测的初步方法。     

求解水中结构声辐射特性的虚拟声源方法研究

利用模态展开法和波叠加原理,发展求解水中结构声辐射特性的方法,进一步将波叠加原理与有限元法(FEM)相结合,提出求解结构声辐射特性的半虚拟声源半FEM算法.将结构动力学方程中的声压项表示为结构表面振速积分的形式,或者将结构动力学方程和结构与介质交界面相容性条件中的声压项表示为虚拟声源函数的组合形式,对所得方程进行模态展开和傅里叶逆变换,分别建立关于振动模态系数的求解方程和虚拟声源强度与振动模态系数的耦合方程,然后根据波叠加原理,确定虚拟声源强度,获得两种求解结构声辐射特性参数的方法.最后,利用FEM和波叠加原理建立结构的动力学方程,结合交界面相容性条件,获得耦合的求解方程,从而确定虚拟声源强度.以水下矩形板为例进行了辐射声功率求取,并讨论了对虚拟声源数目的敏感性.结果表明:本方法具有较高的计算精度,尤其适用于低频声辐射问题的计算;由耦合方程计算声辐射特性参数时,无须计算结构的辐射阻抗,提高了计算效率.     

基于耦合简正波到达时间结构的海洋锋面声学监测

AEYFI05（acoustics experiment of yellow sea oceanic front and internal waves）声起伏实验数据分析表明：实验区域明显存在海洋锋面、潮汐、海流变化,这些海洋学过程特别是浅海海流导致了声传播路径上温跃层深度位置、厚度显著变化;观测到跃层变化显著位置导致的简正波声场耦合现象.在脉冲声传播实验中,由于不同号简正波群速度存在差异,耦合信号与非耦合信号在时域上明显被分开,简正波声信号的到达时间结构包含了温跃层水平显著变化位置的信息.对AEYFI05声起伏实验数据进行了深入分析,提出了根据接收耦合简正波声信号的到达时间结构反演温跃层显著变化位置的方法,利用耦合简正波传播时间起伏数据定量反演了海流所致温跃层水平显著变化位置的起伏.     

一种新的浅海目标方位估计方法

针对平面波假设下的目标方位估计方法对浅海中声源的定位存在偏差的问题,提出了一种新的浅海目标方位估计方法.采用可以反映浅海中声的远距离传播现象的简正波声场理论,把观测点处的声压看成是若干阶简正波的叠加,在平坦硬质海底和白高斯噪音的条件下,构造出了均匀线列阵的接收信号的矩阵方程形式,然后通过详细的数学推导给出了方位角的最大似然估计来完成对该方程的求解.该方法比经典的匹配场处理方法形式简洁、计算量小,比平面波条件下的信号子空间方法估计偏差小.仿真数据表明:随着信号入射方向和阵列法线夹角的增大,平面波假设下的MUSIC方法的估计偏差随之线性增加,而新方法的估计偏差并不显著增加;随着信噪比的增加,平面波假设下的MUSIC方法的偏差始终是2°左右,而新方法估计偏差很小且趋于0.湖上试验结果验证了新方法可以有效实现浅海目标波达方向的渐近无偏估计.     

基于FW-H方程的飞机低速构型气动噪声计算

由流体力学Navier-Stokes方程导出的非齐次波动方程———Ffowcs Williams-Hawkings方程(以下简称FW-H方程),可以精确描述在静止流体中运动物体与流体相互作用的发声问题.以FW-H方程为理论依据,采用混合方法:近场声源区采用CFD求解,获得流场信息;远场声传播区采用自主开发的声场计算程序求解三维FW-H方程时域解,计算得到观察点频谱图和总体声压级.     

空气中圆形平面发射器参量源声场计算与模拟

基于空气介质的非线性性质,改进伯克泰线源端射阵计算模型得到正轴声场解的局限,提出一个圆形平面发射器参量源辐射声场数学模型,以参量点声源的距离和再现声场点的距离的关系作为分割点,对参量点声源到再现声场点的距离作不同的夫琅和费近似,在计算差频波再现声场的同时获得正轴和偏轴方位的声响应.将数值计算模拟结果和实验结果比较,该模型能够更准确地表现二次再现差频波声场的分布状况.     

基于欠定盲分离的广义逆简正波过滤方法

水声传播信号是多号简正波的叠加,通过简正波过滤分离各号简正波,是水声领域常用的一种技术手段,也是匹配模目标定位、声源信号重构等诸多应用的基础.对于垂直阵接收信号,广义逆方法是最常用的一种简正波过滤方法.广义逆方法的一个关键问题是如何确定接收信号中包含的简正波的号数,采用的简正波号数与实际号数偏差越大,简正波过滤的效果越差.针对上述问题,提出一种利用欠定盲分离技术获取垂直阵接收信号中包含的简正波号数的方法,并且通过在理想波导和夏季波导环境下的数值仿真对该方法进行检验,仿真结果表明:在一定的信噪比条件下,本文方法可以从垂直阵接收信号中准确提取简正波号数信息.该方法有助于减小简正波号数未知引起的广义逆简正波过滤的偏差,在基于简正波过滤技术的目标定位、识别等水声应用领域具有一定的应用前景.     

拉格朗日无网格粒子法的声学计算及边界实现

针对现有拉格朗日方法处理声学问题时声学边界出现的匮乏现状,提出了耦合无网格-时域有限差分边界处理技术.边界粒子采用修正光滑粒子动力学方法(CSPM)求解,虚拟粒子采用时域有限差分方法(FDTD)求解;随后分别建立了声学软边界、硬边界和吸声边界的CSPM/FDTD实现方法,其中声传播控制方程采用拉格朗日形式的小振幅波动方程.通过管路声传播模型来对三种不同边界条件进行了验证,而后基于CSPM方法,着重对软边界弹性体在平面波中的时域声散射问题进行了模拟.计算结果表明:该方法能较好模拟出散射声场及其随时间的变化,同时不同初始粒子间距的计算结果也表明了其具有收敛性,验证了修正光滑粒子动力学方法和耦合声学边界处理技术的可行性.     

声散射问题的一种新的无限元方法

声波在无限大外域中的传播和衰减问题是研究声与结构相互作用的重要基础.本文提出了一种新的声无限单元耦合有限元方法于外域声散射问题的计算.应用加权残值法推导了声无限单元的刚度矩阵和质量矩阵，选取的形函数及权函数充分考虑了外域声传播的基本特点及无穷远辐射边界条件.计算实例表明这种方法对于求解无界域声场问题是非常有效的.     

有限元-边界元耦合法计算任意截面形状二维介质柱雷达散射截面

应用有限元 边界元耦合法计算任意截面形状二维介质柱的雷达散射截面.对介质柱内、外区域分别应用有限元和边界元法进行分析,然后通过场的连续性进行耦合,形成待求矩阵方程,最后应用内观法结合多波前法求解该方程.作为算例,分别计算了几种柱体的雷达散射截面.数值结果表明,由于使用了内观法结合多波前法解非对称稀疏矩阵,大大减少了计算时间.     

三维抛物方程方法中海底边界条件改进处理的能量守恒方法

对于海洋声传播PE算法中不规则海底边界条件的处理,根据能量守恒方法对三维PE模型进行了改进,对界面附近的抛物方程的差分形式进行了修正,以考虑复杂海底边界对于声传播的影响;对于此方法中导致的海底中声场出现的振荡问题,给出了一种简易处理方法。通过实际的数值计算表明,该方法提高了地形有变化条件下声场计算的精度。     

低频声源海底地震波的时域合成波形分析

在频域快速场模型的基础上进行逆傅里叶变换,得到海底地震波的时域合成波形计算方法,并对不同浅海环境参数下的合成波形进行了计算.结果表明:海底地震波的波动成分为海底表面波和简正波;当声源频率低于简正波最小截止频率时,不存在无衰减传播的简正波,其波动成分主要为海底表面波;随着声源频率增大,各阶简正波逐渐被激发且逐渐增强;声源深度越接近于海底,越有利于海底地震波的激发,波动成分中表面波越发占据主要地位;与硬质海底相比,软质海底更有利于低频声源激发海底地震波,但不利于较高频率声源海底地震波的激发.     

用切比雪夫谱元方法求解均匀流场中的声传播问题

利用谱元方法中的无穷光滑插值函数的高阶精度特点,结合隐式时间推进算法的稳定性,推导并实现了低马赫数均匀流场中声波动方程的切比雪夫谱元解法,进而得到了流场影响下的声传播问题的数值解.该解法对均匀流场中的声传播问题在空间上进行谱元离散,在边界上引入Clay-ton-Engquist-Majda吸收边界条件,在时间上利用隐式Newmark积分方法推进求解.算例与解析解的对比验证表明:该解法在空间上可以实现高阶精度,在时间上达到2阶精度;使用的隐式New-mark时间积分方法稳定性好,计算工作量相对较小;当数值解达到稳态传播时和解析解吻合得非常好.随着计算条件的飞速发展,加密网格并采用更高阶的切比雪夫谱逼近可以进一步提高精度,以适应计算气动声学的精度要求,另外可尝试采用更高精度的吸收边界条件以改善边界反射对计算声场的干扰.     

简化的声电耦合方程的势函数解

提出了声电耦合方程的一种新解法，该方法将声波扰动产生的电磁场视为似稳电磁场，根据似稳电磁场的性质将声场与电磁场方程分离，使得声波方程能独立求解。在轴对称条件下，讨论声电耦合波在井外多孔介质中的形式解，并给出声压和轴向电场强度的数值模拟。研究发现声电耦合效应在阳离子交换量大、渗透率高的地层中效果更加明显。     

波导环境中利用匹配场处理技术的声源定位研究

采用现代信号处理技术及水声物理学的交叉内容形成匹配场处理技术，用来进行声源定位。运用数值方法进行简正波分解得到各阶简正波的特征值与特征函数，进而求得远距离声场，并采用Bucker检测因子(DF)方法对假定声源进行了计算机定位仿真。这一方法，具有精度高、低频计算快的特点，特别是在远距离有关的环境。     

时空耦合谱元方法求解刚性圆柱体表面的声传播问题

以刚性圆柱体表面均匀分布若干单极子质量源的声传播问题为求解目标,在极坐标系中构建时空耦合模型。基于Least-Squares变分,在时间及空间方向同时采用Chebyshev谱元方法进行离散,将原来极坐标系中的问题转化到柱坐标系中进行求解,并通过数值实验验证了模型的正确性;进一步应用时空耦合模型求解刚性圆柱体表面声传播问题,在计算区域外边界采用C-E-M吸收边界条件。研究结果显示:时空耦合谱元模型通过时间及空间计算精度的匹配,能够获得高精度的数值解;增加时间及空间方向的单元数及单元内的插值阶数均能提高计算精度,且提高插值阶数的方法具有指数阶收敛特性;所构建的时空耦合模型能够稳定求解刚性圆柱体表面的声传播问题,将C-E-M吸收边界条件改写为第一类边界条件并应用于时空耦合模型依然有效。研究内容对构建高精度的计算气动声学求解方法具有指导意义。     

侧面辐射声化学反应器的声场研究

目的 研究侧面辐射声化学反应器的声场分布.方法 从三维声波方程出发,根据声化学反应器的声学边界条件,推导其中的声压表达式.结果 声场中声压由多种简正声波和高次同相振动叠加而成.结论 声压幅值的横向分布取决于声源的振动方式,纵向分布取决于反应容器的几何尺寸、声源振动频率、液体中的声速以及液体的深度等.近场区以高次同相振动为主,声压幅值随着纵向距离的增大而迅速衰减;远场区则以简正声波为主,声压幅值随着纵向距离的增大而起伏变化.     

浅海波导赫姆霍茨方程外问题多尺度有限元法

研究了二维多尺度海洋波导中声波与散射体相互作用的问题.将海洋波导中散射体的声散射问题分解为两个外问题和一个内问题进行求解,外问题和内问题的解通过在人工边界上的DtN映射耦合,建立了相应的DtN映射.通过DtN映射,把赫姆霍茨方程在无限长带状区域中的定解问题,转化为在一个有限区域中的定解问题.基于伽辽金变分和DtN映射方法,发展了数值求解这类声散射问题的一种多尺度有限元求解方法,提出了有效的数值实现手段.数值计算结果表明了所建立的有限元理论方法是有效和实用的,而且它的数值实现是很快速的.