深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法
专利汇可以提供深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提出了深海弹性结构与环境耦合声 辐射 预报方法，属于 水 声技术领域。所述方法包括以下步骤：步骤一：采用多物理场耦合FEM理论建立 波导 下结构声辐射的准确模型；步骤二：提取结构声辐射准确模型中的r0处准确的初始场信息，然后进行PE初始场空间格点匹配；步骤三：对经过PE初始场空间格点匹配的结构声辐射准确模型进行结构辐射声场N个2D的PE步进计算。本发明利用有限元法对结构、 流体 环境适应性强和抛物方程法对声场计算快速准确的优点，提出了深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法。该方法对结构和深海环境适应性强，中低频段下声场计算效率和 精度 较高。在深海波导下结构辐射场计算的准确性、收敛性和高效性方面具有显著优势。，下面是深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法专利的具体信息内容。
1.深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：采用多物理场耦合FEM理论建立波导下结构声辐射的准确模型；
步骤二：提取结构声辐射准确模型中的r0处准确的初始场信息，然后进行PE初始场空间格点匹配；
步骤三：对经过PE初始场空间格点匹配的结构声辐射准确模型进行结构辐射声场N个
2D的PE步进计算。
2.根据权利要求1所述的深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法，其特征在于，在步骤一中，具体的，在结构表面与外部流体接触的耦合面上，满足结构表面法向振动速度与外部流体介质的振动速度相同，得到结构与流体的耦合方程
其中Kij为刚度矩阵，Cij为阻尼矩阵，质量矩阵均为n×n阶矩阵，下标w，s和τ分别表示声学矩阵、力学结构矩阵和耦合矩阵，ρ0为海水密度，ui、pi分别为位移和声压幅值，Fst、Fwt分别为结构和流体介质声的耦合激励载荷，ω＝2πf，为角频率，其中f为频率，j为复数部，定义耦合矩阵Kτ、Mτ为
其中， nse为结构与流体接触的结构网格数量，{ne}为结构网格的法向向
量，N是单元形函数矩阵；
海洋波导的海面边界为Dirichlet边界，在界面上满足声压为零，即
pa(x,y,z)|z＝0＝0 (4)
其中，a表示海水流体层，
结构声辐射准确模型FEM理论需要建立两种典型海底交界面上连续方程，在液态海底上满足的边界条件为声压p(x,y,z)连续，法向振速v(x,y,z)连续，
pa(x,y,z)＝pb(x,y,z) (5)
其中，b表示海底层，ρ为介质密度，在各向同性弹性海底法向上满足位移连续和应力连续，切向的应力为零，
其中u为弹性体中的水平位移，w为弹性体中的垂直位移，λ，μ为拉梅常数，r为距离，定义Δ为
均匀海洋环境的四周边界为声场无限远边界，在FEM中采用完全匹配层PML技术模拟，PML通过在波动方程中增加吸收系数转换为PML吸收层的控制方程，令x轴为x1轴、y轴为y1轴，利用分离变量可写出PML方程为
其中σi为吸收系数，k为波数，pi为声压幅值，
采用PML处理边界后，使在边界层上满足Smerfield远场熄灭条件，使得边界没有反射声以模拟波导四周的无限大空间，即
p(x,y,z)|r＝∞＝0 (11)
3.根据权利要求1所述的深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法，其特征在于，在步骤二中，具体的，FEM计算初始场包含了结构近场声能量耦合信息、PE步进计算域远离近场声影响区，要求初始场距源中心的距离r0为大于最大波长，r0≥λmax，根据FEM在深度方向提取声场结果Pf，建立起深度坐标zf与声压Pf的线性关系，则在深度方向上每个深度格点(r0,z)声场通过以下方程获取：
其中，zp为最小区间[zk,zk+1]上一点，P′f,k为有限元提取结果函数在节点zk处的导数值，k＝0,1,2,3,…,n，n为FEM提取计算结果的离散个数。
4.根据权利要求1所述的深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法，其特征在于，在步骤三中，具体的，采用Pappert的分离变量法，把轴对称坐标系下简谐源的亥姆霍兹方程简化为椭圆形波动方程为
其中k0为参考波数，n(r,z)＝c0/c(r,z)，c0为参考声速，i为复述中的复述部，声场ψ在一个波长内随距离的变化是缓慢的，即满足 的近轴近似条件，可
得到标准抛物型方程
在海水介质中声场ψa需满足抛物型方程，利用泰勒级数展开可把抛物型方程变换为同理，在液态海底中声场ψa满足的方程为
通过在界面满足的边界条件，可建立两介质中声场关系为
其中，
如果将G写成 则公式(17)与公式(13)一致，选择声场的输出分量可
得到单向的波动方程
其中， q＝η+μ，η＝n2-1，
求解公式(18)方法主要有分离-步进傅里叶技术和有限差分/有限元技术，其中隐式有限差分完全适用于小角度和大角度抛物型波动方程，各个方向的离散步距需满足Δz≤λ/
4，Δr＝(2—5)Δz，其中zj＝lΔz，l＝1,2,3,…N；rm＝mΔr，m＝1,2,3,…n，空间各点(rm,zj)的声场ψ(xm,zj)简写为
为了用点rm+1的场信息表示点rm的场信息，考虑两点中点
通过Crank-Nicolson有限差分法求解公式(18)，即
导出如下隐式表达式
接下来引入通用的算子近似表达式
其中，a，b取不同值，便可得到处理算子的Tappert，Claerbout，Greene的近似法，为了减小上述三种近似方法带来的相位误差和对角度的限制，Collins采用一种基于帕德级数法展开算子，得到
其中， m为展开式中的项数，
选用Greene近似法，则公式(22)可写为
代入公式(21)后结合公式(17)对各项重新组合，便可得到如下的向量表达式：
公式(25)中，各参数的定义如下：
把PE声场按隐式有限差分IFDM的步进表示，公式(25)写为深度N个格点的全局矩阵解：
可知，基于有限差分法的PE是进一步推进求解的过程，通过在各层介质中分别满足公式(17)所示的椭圆型波动方程，在海水与海底的液-液交界面z＝zj上满足公式(5),公式(6)的边界条件，便可由前一个场信息 求解下一个m+1处的
场信息。
深海弹性结构与环境耦合声辐射预报方法
技术领域
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发明内容
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