基于有限元方法的海洋声传播特性研究

发布时间：2020-04-08 08:54

【摘要】：海洋声场仿真是研究声信号在海洋中传播规律的主要途径之一,近几年来随着研究者们对海洋声场建模环境要求的日益提高,因此所构建的海洋声场模型越来越符合实际海洋环境中的参数以及地形特征。但对于传统的海洋声场计算模型而言,由于在进行计算声场计算时对波动方程理论做了一定的近似以及假设,使得传统的声场计算方法对于复杂海洋环境模型下的声场计算时往往无法准确地求解出与实际声传播特性规律相匹配的结果。在本文中将选用有限元方法来计算声信号在复杂海洋模型下的声传播特性,验证了所构建的海洋声场模型在使用有限元方法计算的准确性。并且考虑在实际存在海底剪切波影响下的倾斜海洋环境中对声传播规律的影响;以及构建三维海洋声场模型,分析存在孤立子内波物理海洋现象下对声信号传播的影响。研究主要结论如下:(1)对于使用有限元方法计算二维以及二维轴对称模型下的声传播特性,所计算得到的结果与传统的声场计算方法RAM以及COUPLE计算得到的结果存在一定的差异,但与当前在计算精度较高的全局耦合简正波模型(DGMCM模型)的计算结果完全一致。证明了使用有限元方法能计算出比传统声场计算方法更加精确的解。(2)考虑声信号在具有海底剪切波影响的上坡以及下坡弹性海底环境中传播时,可以发现在改变声源频率、海底地形以及海底声参数会对声信号的传播规律特性有着明显的影响。当声信号在上坡弹性海底环境传播时,会出现声能量从水体向海底进行“泄露”的情况,并且观察到声能量泄露的数量与声源频率以及声源所处的海水层深度成正比。而当声信号在下坡弹性海底环境下进行传播时,能发现有一定的声能量会在海水-海底界面以界面波的形式进行传播。(3)对于声信号在存在孤立子内波影响的三维声场环境下进行传播时,能明显的观察到随着孤立子内波在时间特性上的移动,对声信号在垂直分量上的传播方向偏转影响保持着不变;并且由于孤立子内波对声信号传播的三维效应影响,在水平分量上随着声传播方向与孤立子内波波阵面夹角的增大,声信号所拥有的能量在减弱,并且由孤立子内波所引起的声信号在水平分量上的偏转角度在增大.这些研究为了探究如何仿真声信号在具有实际复杂参数分布以及地形下的声传播特性起到了推进的作用。同时为研究声信号在弹性海底模型中传播的影响规律变化以及分析在三维模型中孤立子内波的存在对声信号的声传播影响这两部分海洋声传播规律的研究提供了一定的参考结论。
【图文】：

2201 1 Nn mn n n m mnSvp NN N p N w dV N a dt f..1 120000vN Nmn n mn n mn nm nmnVm nmnVm m mV SM p K p gN NM dVρ cN NK dVρfg N w dV N a dSρ 、n 两点的质量，Kmn为 m、n 两点间的刚度，gm声源的贡认为单元内的声压值只与所在单元的节点有关，图 2.1 为分的网格结构。

2.2 Comsol Multiphysics 有限元软件2.2.1 Comsol Multiphysics 有限元软件介绍在本文中，将使用有限元仿真软件 Comsol Multiphysics 进行海洋声场传播的有元分析。Comsol Multiphysics 是由瑞典 COMOSL 公司所研发的多物理场建模与仿解决软件，最先起源于 Matlab Toolbox 工具箱。目前软件附有大量预定义的物理场块，如声学模块、力学模块、AC/DC 模块、传热模块、CFD 模块、化学反应模块射频模块、结构力学模块、微流模块等二十多个模块。同时也提供多个模块间相互合的多物理场耦合接口，能为多物理场的耦合分析研究工作提供便利。对于本文中使用 Comsol Multiphysics 声学模块,包含了压力声学、声固耦合、气声学、热声学和几何声学等物理场接口，，常用作物理声学设备的仿真及优化、环境的声传播现象、噪声控制、大气和海洋中的声散射现象。2.2.2 Comsol Multiphysics 有限元仿真流程图 2.2 介绍了本文中使用 Comsol 进行海洋声传播仿真的流程。建立仿真模型
【学位授予单位】：浙江海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P733.2

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本文编号：2619148