【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及跨介质声地场，具体为一种预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法。
技术介绍
1、除水声传播外，水下航行器部分低频辐射噪声传至海底以舰船地震波形式传播。舰船地震波作为一种可被探测的物理场，是一种由舰船振动噪声和水体扰动在半弹性海底激发的弹性波。半弹性海底地震波不受水文条件的影响，同时波的部分频率成分极低，振幅大，衰减慢，传播距离远。在跨介质声地场计算中，海水中的声速沿深度方向变化及半弹性海底为地质分层半无限空间，且水平计算尺度通常在千米级以上，加之信道边界条件要求，现有水声建模方法存在理论与技术的局限，这正是水声跨介质计算中的基础性“难点”问题。
2、水声建模主要方法有射线法、抛物方程法、简正波法、波数积分法、域离散法等。早期水声建模多采用射线法，其计算速度快且物理意义明确，但由于固有的高频近似特性，该方法不适用于低频计算，在对环境细节问题的数值离散化过程中声线轨迹存在振荡；对于三维复杂场景，确定本征射线变得困难。抛物方程法已成为求解与水平距离有关的水声问题使用最广泛的方法，但对深海问题计算效率低，且解的直观物理意义模糊。简正波法是发展较快的一种水声计算方法，通过求解与深度有关的方程，按照声源深度加权的每个模式的累积贡献即是总声场，现有技术能够求解任意层数的流体层和粘弹性层的问题，已提出浅海点源地震波的简正波模型，但软质海底不存在有效的简正波，而弹性海底简正波耦合变得复杂。针对具有半弹性海底的地震波计算，基于域离散的方法和边界元法面临如何处理声速梯度和海底地质分层的问题。
3、波数积分
4、为克服边界元法和有限元法在自由场声辐射计算中的缺陷，波叠加法(wavesuperposition method,wsm)被提出，该方法也称等效源法，其原理为：结构辐射的声场由一组位于其内部的等效源辐射的声场线性叠加计算，等效源强度通过边界法向振速确定。wsm消除了格林函数奇异性问题，无需对场空间进行截断和离散，已广泛用于声场计算。为优化等效源配置以提升精度，国内外学者对该问题进行了研究。由于采用自由场空间格林函数表达等效源，其不满足信道边界条件，标准的wsm不适用于信道水声计算。基于wsm，后续发展了求解信道水声的波叠加模型，如预报浅海信道水声的波叠加联合模型、信道水声传播建模的多组等效源模型，但均不适用于地质分层半弹性海底中的弹性波计算。
技术实现思路
1、本专利技术意在提供一种预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，以解决现有波叠加法不适用地质分层半弹性海底中的弹性波计算的问题。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，包括以下步骤：
4、s101：利用波叠加原理，构造包含有未知幅值的信道空间位移势格林函数来解析表达等效源：
5、构造关于海水中的位移势函数、半弹性海底中的压缩位移势和半弹性海底中的剪切位移势函数的亥姆霍兹方程，根据亥姆霍兹(helmholtz)方程构造海水中深度分离的波动方程以及半弹性海底中深度分离的波动方程，并得到包含有未知幅值的信道空间位移势格林函数；
6、s102：利用边界条件来求解s101中信道空间位移势格林函数的未知幅值，以使所构造的信道空间位移势格林函数满足声跨介质传播所要求的海洋环境：
7、计算半弹性海底的水平位移、垂直位移、法向应力和切向应力，并根据边界连续条件得到未知幅值方程，并求解得到未知幅值；
8、s103：等效源强度修正：
9、根据声压与位移势的helmholtz方程以及由波叠加法求解的等效源源强向量，得到等效源位移势强度向量；
10、s104：场变量计算：
11、根据波叠加原理和声压与位移势的关系，计算得到海水中声压，并根据波叠加原理计算得到半弹性海底中的水平位移和垂直位移。
12、进一步地，所述未知幅值包括海水中上行波和下行波未知幅值、半弹性海底对应压缩波和剪切波的下行波未知幅值。
13、进一步地，在s101中，亥姆霍兹方程的表达式为：
14、
15、上述表达式中，δ表示狄拉克函数，k＝ω/c1为海水中声波数，kp＝ω/cp和ks＝ω/cs分别为半弹性海底中压缩波和剪切波的波数，对均质各向同性弹性层，拉梅常数满足和
16、进一步地，在s101中，海水中深度分离的波动方程的表达式为：
17、
18、上述表达式中，为垂直波数，kr表示水平波数，φ(kr,z)为对应于ψ(r,z)的波数核函数；
19、半弹性海底中深度分离的波动方程的表达式为：
20、
21、上述表达式中，和分别为对应于第m分层中压缩波和剪切波的垂直波数。
22、进一步地，在s101中，信道空间位移势格林函数的表达式为：
23、
24、上述表达式中,r和rs分别表示场点和等效源位置，和分别为海水中上行波和下行波未知幅值。
25、进一步地，在s102中，计算半弹性海底的水平位移的表达式为：
26、
27、上述表达式中,u(r,z)表示弹性海底的水平位移,ψp(r,z)和ψs(r,z)分别表示半弹性海底中的压缩位移势和剪切位移势函数；
28、计算半弹性海底的垂直位移的表达式为：
29、
30、上述表达式中，w2(r,z)表示弹性海底的垂直位移，ψp(r,z)和ψs(r,z)分别表示半弹性海底中的压缩位移势和剪切位移势函数；
31、半弹性海底的法向应力的表达式为：
32、
33、半弹性海底的切向应力的表达式为：
34、
35、进一步地，在s102中，根据边界连续条件得到未知幅值方程的表达式为：
36、
37、进一步地，在s103中，等效源位移势强度向量的表达式为：
38、
39、上述表达式中，sψ表示等效源位移势强度向量，v表示边界法向振速向量，d为偶极矩阵本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于：所述未知幅值包括海水中上行波和下行波未知幅值、半弹性海底对应压缩波和剪切波的下行波未知幅值。
3.根据权利要求1所述的预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于：在S101中，亥姆霍兹方程的表达式为：
4.根据权利要求1所述的预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于：在S101中，海水中深度分离的波动方程的表达式为：
5.根据权利要求1所述的预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于：在S101中，信道空间位移势格林函数的表达式为：
6.根据权利要求1所述的预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于：在S102中，计算半弹性海底的水平位移的表达式为：
7.根据权利要求1所述的预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于：在S102中，根据边界连续条件得到未知幅值方程
8.根据权利要求1所述的预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于：在S103中，等效源位移势强度向量的表达式为：
9.根据权利要求1所述的预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于：在S104中，计算得到海水中声压的表达式为：
10.根据权利要求1所述的预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于：在S104中，计算得到半弹性海底中的水平位移的表达式为：
...【技术特征摘要】
1.一种预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于：所述未知幅值包括海水中上行波和下行波未知幅值、半弹性海底对应压缩波和剪切波的下行波未知幅值。
3.根据权利要求1所述的预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于：在s101中，亥姆霍兹方程的表达式为：
4.根据权利要求1所述的预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于：在s101中，海水中深度分离的波动方程的表达式为：
5.根据权利要求1所述的预报水下结构跨介质声地场的波数积分叠加计算方法，其特征在于：在s101中，信道空间位移势格林函数的表达式为：
6.根据...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。