CN107765310A - 一种针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法，属于水声工程技术领域，计算方法基于快速场（FFP）声场计算方法和点声源作用下模拟运算了多层弹性海底模型建立了针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法，本发明所构建的多层弹性海底模型在弹性介质半空间层和均匀立体介质层间还具有弹性介质层，弥补了现有技术中基于半无限海底模型的缺陷，利用该方法反演得到的声传播损失与实际测量值具有更高的吻合度；结合快速场计算浅海声场，计算方法快速准确，既包含了离散模式部分，又包含了连续部分。

Description

一种针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法

技术领域

本发明属于水声工程领域，尤其是涉及一种针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法。

背景技术

在水声领域的研究中，声场建模和海底声参数测量一直都是研究的热点。随着水声工程技术的不断发展，在国内外水声工作者的共同努力下，针对水平分层模型下的各种浅海声场计算方法，如：简正波理论、射线理论、抛物方程、快速场理论等日趋完善。在声场建模的基础上，采用声学反演方法可以快速、有效的测定环境参数，与传统测量方法相比节省了大量的人力、物力，因而也越来越受到水声研究者的关注。

在已有研究中，对具有弹性海底的浅海波导中的声场计算研究多是基于半无限海底模型展讨论。考虑在实际海洋环境中，海底往往是有一层沉积层和半无限弹性体构成的两层介质，在部分地区甚至需考虑为多层介质，为满足浅海声场实际建模需要，需建立针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法，该方法弥补了现有技术中基于半无限海底模型的缺陷。

本发明的另一目的在于提供载有一种搭载有针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法的设备，装载该移动硬盘的主机散热、除尘效果好，异物无法进入机箱内。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：一种针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法，计算方法基于快速场(FFP)声场计算方法和点声源作用下模拟运算了多层弹性海底模型建立了针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法。

多层弹性海底模型为：点声源位于厚度为h₁，密度及声速分别为ρ₁、c₁的均匀流体介质层中，z＝0为海面，海面向下z为正值，声源深度为z₀，第二层为各向同性的弹性介质，第三层为各向同性的弹性介质半空间，其密度、压缩波声速和剪切波声速分别为ρ₂、c_p2、c_s2和ρ₃、c_p3、c_s3，流体层中变量用位移势函数φ₁表示，第二层弹性海底中势函数有标量势函数φ₂和矢量势函数第三层中势函数有标量势函数φ₃和矢量势函数声源为单频谐和点声源，则各势函数满足的波动方程分别是：

其中代表控制方程；k₁＝ω/c₁代表水中波数； k₂＝ω/c_p2代表第二层弹性体中压缩波波数；χ₂＝ω/c_s2代表第二层弹性体中剪切波波数；k₃＝ω/c_p3代表半无限空间弹性体中压缩波波数；χ₃＝ω/c_s3代表半无限空间弹性体中剪切波波数；

当矢量势函数中只有一个分量ψ_2θ和ψ_3θ不为零时，此时ψ_2θ、ψ_3θ满足的波动方程为：

将上述各势函数表示成Fourier-Bessel积分形式：

得到关于Z₁(z,ξ)、Z₂(z,ξ)、Z₃(z,ξ)和f_2θ(z,ξ)、f_3θ(z,ξ)的常微分方程。

根据海面的压力释放条件和弹性海底无穷远辐射条件选择，Z₁(z,ξ)、 Z₂(z,ξ)、Z₃(z,ξ)和f_2θ(z,ξ)、f_3θ(z,ξ)分别如下：

其中

在柱坐标系下，r,z方向的位移分别用q,w表示，于是

根据点源条件、z＝h1处的流体/弹性边界条件(法向位移连续、法向应力连续和切向应力为零)和z＝h2处的弹性/弹性边界条件(法向位移、法向应力、切向位移和切向应力均连续)可建立9个方程，整理为矩阵形式可表示为：

其中：a₁₁＝sinβ₁z₀；a₁₂＝-sinβ₁z₀；a₁₃＝-cosβ₁z₀； a₁₄＝a₁₅＝a₁₆＝a₁₇＝a₁₈＝a₁₉＝0；a₂₁＝cosβ₁z₀；a₂₂＝-cosβ₁z₀； a₂₃＝sinβ₁z₀；a₂₄＝a₂₅＝a₂₆＝a₂₇＝a₂₈＝a₂₉＝0；a₃₁＝0； a₃₂＝β₁cosβ₁h₁；a₃₃＝-β₁sinβ₁h₁； a₃₈＝a₃₉＝0；a₄₁＝0；a₄₂＝sinβ₁h₁；a₄₃＝cosβ₁h₁； a₄₈＝a₄₉＝0； a₅₈＝a₅₉＝0；a₆₁＝a₆₂＝a₆₃＝0；a₇₁＝a₇₂＝a₇₃＝0， a₈₁＝a₈₂＝a₈₃＝0； a₉₁＝a₉₂＝a₉₃＝0； 利用矩阵运算可以求解得到A、B、C、D1、D2、 E1、E2、F、G各参数在仿真条件下的具体数值，根据求解得到的各层势函数系数，基于快速场理论可将其离散化为：

即可以求解得到多层弹性海底模型中各层势函数数值解，通过势函数与各声场物理量间的计算关系，可求解得到各层声场，上述技术方法既包含了离散模式，又包含了连续模式。该模型为三层模型，设置科学，合理，对多层弹性海底模型的计算具有很好的指导意义，所构建的多层弹性海底模型在弹性介质半空间层和均匀立体介质层间还具有弹性介质层，弥补了现有技术中基于半无限海底模型的缺陷，利用该方法反演得到的声传播损失与实际测量值具有更高的吻合度；结合快速场计算浅海声场，计算方法快速准确，既包含了离散模式部分，又包含了连续部分。

搭载有针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法的设备，包括移动硬盘，移动硬盘设在主机箱体上，主机箱体内部设有循环散热管，循环散热管内填充有散热剂，且在循环散热管端部连接有电磁阀，电磁阀与控制器连接，主机箱体侧面不规则布有三个散热孔，散热孔内置散热风扇，散热孔顶面连接有防尘罩，循环散热管的端部可与外接水箱连接，并且利用散热剂来对主机内部进行散热，为更好的扩大主机箱体内部的散热效果，保护主机内部元件，特别是载有针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法的移动硬盘。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：散热风扇内倾斜环绕设置扇叶，相邻扇叶的边缘中部通过弯形支撑板连接，各扇叶连接有弧形扰流片，扰流片的弧面与扇叶旋转方向相反，扰流片高度等于扇叶两端面的高度差距离，扰流片上开设有半月形扰流孔，扰流孔与扰流片竖直面的倾斜角为15°-35°，设计的散热风扇将散热冷气吹到主机箱各表面对其散热，还可出去部件表面的灰尘杂质保证主机运行的稳定性、安全性，散热风扇的扇叶之间通过弯形支撑板的连接有效提升扇叶整体稳定效果，并防止扇叶在运行过程中有坚硬物体如铅笔、螺丝等物体进入机箱内损坏机箱内部部件或扇叶影响散热风扇的散热效果，通过在扇叶表面设置扰流板和带有倾斜角的半月形扰流孔可扰乱扇热风扇旋转带动的气流，使气流更容易到达主机箱体各部位，对各部件散热，且散热均匀，并且在扰乱散热风扇的同时扰流板自身也产生了与散热风扇相反的气流，该气流在扰乱散热风扇旋转带出的气流的同时可利用自身产生的气流对与扰流板位置对应的部件散热。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开了一种针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法，所构建的多层弹性海底模型在弹性介质半空间层和均匀立体介质层间还具有弹性介质层，弥补了现有技术中基于半无限海底模型的缺陷，利用该方法反演得到的声传播损失与实际测量值具有更高的吻合度；结合快速场计算浅海声场，计算方法快速准确，既包含了离散模式部分，又包含了连续部分。

附图说明

图1为具有两层弹性海底的浅海声场环境模型示意图；

图2为实施例1中表1仿真条件下流体层中声压传播损失曲线仿真结果；

图3为实施例1中表2仿真条件下流体层中声压传播损失曲线仿真结果；

图4为一种针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算设备的结构示意图；

图5为散热风扇的结构示意图；

图6为扰流叶结构示意图。

附图标记说明：1主机箱体；2散热风扇；201扇叶；202扰流叶；203支撑板；204扰流孔；3防尘罩；4散热孔；5循环散热管；6电磁阀；7控制器；8 移动硬盘。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

一种针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法，该浅海分层弹性海底的模型如图1所示：点声源位于厚度为h₁，密度及声速分别为ρ₁、c₁的均匀流体介质层中，z＝0为海面，海面向下z为正值，声源深度为z₀，第二层为各向同性的弹性介质，第三层为各向同性的弹性介质半空间，其密度、压缩波声速和剪切波声速分别为ρ₂、c_p2、c_s2和ρ₃、c_p3、c_s3，流体层中变量用位移势函数φ₁表示，第二层弹性海底中势函数有标量势函数φ₂和矢量势函数第三层中势函数有标量势函数φ₃和矢量势函数声源为单频谐和点声源，则各势函数满足的波动方程分别是：

其中代表控制方程；k₁＝ω/c₁代表水中波数；k₂＝ω/c_p2代表第二层弹性体中压缩波波数；χ₂＝ω/c_s2代表第二层弹性体中剪切波波数；k₃＝ω/c_p3代表半无限空间弹性体中压缩波波数；χ₃＝ω/c_s3代表半无限空间弹性体中剪切波波数；

当矢量势函数中只有一个分量ψ_2θ和ψ_3θ不为零时，此时ψ_2θ、ψ_3θ满足的波动方程为：

将上述各势函数表示成Fourier-Bessel积分形式：

得到关于Z₁(z,ξ)、Z₂(z,ξ)、Z₃(z,ξ)和f_2θ(z,ξ)、f_3θ(z,ξ)的常微分方程。

根据海面的压力释放条件和弹性海底无穷远辐射条件选择，Z₁(z,ξ)、 Z₂(z,ξ)、Z₃(z,ξ)和f_2θ(z,ξ)、f_3θ(z,ξ)分别如下：

其中

在柱坐标系下，r,z方向的位移分别用q,w表示，于是

根据点源条件、z＝h1处的流体/弹性边界条件(法向位移连续、法向应力连续和切向应力为零)和z＝h2处的弹性/弹性边界条件(法向位移、法向应力、切向位移和切向应力均连续)可建立9个方程，整理为矩阵形式可表示为：

其中：a₁₁＝sinβ₁z₀；a₁₂＝-sinβ₁z₀；a₁₃＝-cosβ₁z₀； a₁₄＝a₁₅＝a₁₆＝a₁₇＝a₁₈＝a₁₉＝0；a₂₁＝cosβ₁z₀；a₂₂＝-cosβ₁z₀； a₂₃＝sinβ₁z₀；a₂₄＝a₂₅＝a₂₆＝a₂₇＝a₂₈＝a₂₉＝0；a₃₁＝0； a₃₂＝β₁cosβ₁h₁；a₃₃＝-β₁sinβ₁h₁； a₃₈＝a₃₉＝0；a₄₁＝0；a₄₂＝sinβ₁h₁；a₄₃＝cosβ₁h₁； a₄₈＝a₄₉＝0； a₅₈＝a₅₉＝0；a₆₁＝a₆₂＝a₆₃＝0； a₇₁＝a₇₂＝a₇₃＝0， a₈₁＝a₈₂＝a₈₃＝0； a₉₁＝a₉₂＝a₉₃＝0； 利用矩阵运算可以求解得到A、B、C、D1、D2、 E1、E2、F、G各参数在仿真条件下的具体数值，根据求解得到的各层势函数系数，基于快速场理论可将其离散化为：

即可以求解得到多层弹性海底模型中各层势函数数值解，通过势函数与各声场物理量间的计算关系，可求解得到各层声场。

沿着相同思路，可得出在海底分层情况更为细情况下的声场计算公式，即对应n层海底模型其对应的声场计算方程可写为：

(b_ij)_(4n+1)×1＝[(a_ij)_{(4n+1)×(4n+1)}]^-1·(c_ij)_(4n+1)×1

当流体中声速不均匀分布时，在建模中也只需将其划分为N层，考虑各层内声参数均匀分布，再利用连续条件建立方程组求解即可。

如下表1、2所示，设置了两层弹性海底海洋环境模型仿真条件，根据表 1、2条件得出流体层中声压传播损失曲线分布仿真结果如附图2、3所示。

表1具有两层弹性海底的海洋环境模型I

表2具有两层弹性海底的海洋环境模型II

实施例2：

如图4-6所示，

搭载有针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法的设备，包括移动硬盘8，移动硬盘8设在主机箱体1上，主机箱体1内部设有循环散热管5，循环散热管5内填充有散热剂，且在循环散热管端部连接有电磁阀6，电磁阀6与控制器7 连接，主机箱体1侧面不规则布有三个散热孔4，散热孔4内置散热风扇2，散热孔4顶面连接有防尘罩3，循环散热管5的端部可与外接水箱连接，并且利用散热剂来对主机内部进行散热，为更好的扩大主机箱体1内部的散热效果，保护主机内部元件，特别是载有针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法的移动硬盘8。

散热风扇2内倾斜环绕设置扇叶201，相邻扇叶201的边缘中部通过弯形支撑板203连接，各扇叶201连接有弧形扰流片202，扰流片202的弧面与扇叶 201旋转方向相反，扰流片202高度等于扇叶201两端面的高度差距离，扰流片 202上开设有半月形扰流孔204，扰流孔204与扰流片202竖直面的倾斜角为15° -35°，设计的散热风扇2将散热冷气吹到主机箱各表面对其散热，还可出去部件表面的灰尘杂质保证主机运行的稳定性、安全性，散热风扇2的扇叶201之间通过弯形支撑板203的连接有效提升扇叶201整体稳定效果，并防止扇叶201 在运行过程中有坚硬物体如铅笔、螺丝等物体进入机箱内损坏机箱内部部件或扇叶201影响散热风扇2的散热效果，通过在扇叶201表面设置扰流板202和半月形扰流孔204可扰乱扇热风扇2旋转带动的气流，使气流更容易到达主机箱体1 各部位，对各部件散热，且散热均匀，并且在扰乱散热风扇2的同时扰流板2 自身也产生了与散热风扇2相反的气流，该气流在扰乱散热风扇2旋转带出的气流的同时可利用自身产生的气流对与扰流板202位置对应的部件散热。

散热风扇2表面涂覆有防污涂层，防污涂层的制备方法为：将7.2g份酪素、1.6g三乙醇胺以及63g去离子水混合，在62℃下使酪素溶解；然后升温至 74℃，在60min内向上述溶液中滴加12.3份己内酰胺水溶液，搅拌80min后，自然冷却至12℃；然后调整乳液的pH值至5，向反应体系中加入1.8份钛酸四丁酯，保温反应15min，加入0.6g苄叉丙酮和0.8g富马酸，再升温至74℃，保温反应100min，接着向体系中滴加4份甲基丙烯酸甲酯和6份丙烯酸丁酯单体混合液，同时滴加5.6份过硫酸铵水溶液，滴加时间为35min，滴加结束后恒温反应70min，停止加热后继续搅拌至冷却至室温，即制得酪素基纳米TiO2杂化乳液，将杂化乳液涂覆于风扇叶轮，得防污涂层。反应充分，使反应物料得到了充分利用，条件温和，大大节省了能耗；所制备的防污涂层延伸性好，表面光滑度极高，与灰尘之间的附着强度弱，防污效果好：所加入的苄叉丙酮、富马酸与己内酰胺具有协同作用，降低了钛酸四丁酯的自聚作用，避免了TiO2硬团聚体的生成，提高了有机相与无机相的相容性，使制备的杂化乳液更加稳定，大大提高了乳液在叶轮表面的涂覆效果。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法，其特征在于：所述计算方法基于快速场(FFP)声场计算方法和点声源作用下模拟运算了多层弹性海底模型建立了针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法。

2.根据权利要求1所述一种针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法，其特征在于：所述多层弹性海底模型为：点声源位于厚度为h₁，密度及声速分别为ρ₁、c₁的均匀流体介质层中，z＝0为海面，海面向下z为正值，声源深度为z₀，第二层为各向同性的弹性介质，第三层为各向同性的弹性介质半空间，其密度、压缩波声速和剪切波声速分别为ρ₂、c_p2、c_s2和ρ₃、c_p3、c_s3，流体层中变量用位移势函数φ₁表示，第二层弹性海底中势函数有标量势函数φ₂和矢量势函数第三层中势函数有标量势函数φ₃和矢量势函数声源为单频谐和点声源，则各势函数满足的波动方程分别是：

其中代表控制方程；k₁＝ω/c₁代表水中波数；k₂＝ω/c_p2代表第二层弹性体中压缩波波数；χ₂＝ω/c_s2代表第二层弹性体中剪切波波数；k₃＝ω/c_p3代表半无限空间弹性体中压缩波波数；χ₃＝ω/c_s3代表半无限空间弹性体中剪切波波数；

当矢量势函数中只有一个分量ψ_2θ和ψ_3θ不为零时，此时ψ_2θ、ψ_3θ满足的波动方程为：

将上述各势函数表示成Fourier-Bessel积分形式：

得到关于Z₁(z,ξ)、Z₂(z,ξ)、Z₃(z,ξ)和f_2θ(z,ξ)、f_3θ(z,ξ)的常微分方程。

3.根据权利要求2所述一种针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法，其特征在于：根据海面的压力释放条件和弹性海底无穷远辐射条件选择，Z₁(z,ξ)、Z₂(z,ξ)、Z₃(z,ξ)和f_2θ(z,ξ)、f_3θ(z,ξ)分别如下：

其中

在柱坐标系下，r,z方向的位移分别用q,w表示，于是

4.根据权利要求3所述一种针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法，其特征在于：根据点源条件、z＝h1处的流体/弹性边界条件(法向位移连续、法向应力连续和切向应力为零)和z＝h2处的弹性/弹性边界条件(法向位移、法向应力、切向位移和切向应力均连续)可建立9个方程，整理为矩阵形式可表示为：

其中：a₁₁＝sinβ₁z₀；a₁₂＝-sinβ₁z₀；a₁₃＝-cosβ₁z₀；a₁₄＝a₁₅＝a₁₆＝a₁₇＝a₁₈＝a₁₉＝0；a₂₁＝cosβ₁z₀；a₂₂＝-cosβ₁z₀；a₂₃＝sinβ₁z₀；a₂₄＝a₂₅＝a₂₆＝a₂₇＝a₂₈＝a₂₉＝0；a₃₁＝0；a₃₂＝β₁cosβ₁h₁；a₃₃＝-β₁ sinβ₁h₁；a₃₈＝a₃₉＝0 a₄₁＝0；a₄₂＝sinβ₁h₁；a₄₃＝cosβ₁h₁； a₄₈＝a₄₉＝0；a₅₁＝a₅₂＝a₅₃＝0； a₅₈＝a₅₉＝0；a₆₁＝a₆₂＝a₆₃＝0；a₇₁＝a₇₂＝a₇₃＝0， a₈₁＝a₈₂＝a₈₃＝0； a₉₁＝a₉₂＝a₉₃＝0； 利用矩阵运算可以求解得到A、B、C、D1、D2、E1、E2、F、G各参数在仿真条件下的具体数值，根据求解得到的各层势函数系数，基于快速场理论可将其离散化为：

即可以求解得到多层弹性海底模型中各层势函数数值解，通过势函数与各声场物理量间的计算关系，可求解得到各层声场。

5.搭载有针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法的设备，包括移动硬盘(8)，其特征在于：所述移动硬盘(8)设在主机箱体(1)上，所述主机箱体(1)内部设有循环散热管(5)，所述循环散热管(5)内填充有散热剂，且在循环散热管端部连接有电磁阀(6)，所述电磁阀(6)与控制器(7)连接，所述主机箱体(1)侧面不规则布有三个散热孔(4)，所述散热孔(4)内置散热风扇(2)，散热孔(4)顶面连接有防尘罩(3)。

6.根据权利要求5所述搭载有针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法的设备，其特征在于：所述散热风扇2内倾斜环绕设置扇叶(201)，相邻扇叶(201)的边缘中部通过弯形支撑板(203)连接，各扇叶(201)连接有弧形扰流片(202)，扰流片(202)的弧面与扇叶(201)旋转方向相反，所述扰流片(202)高度等于扇叶(201)两端面的高度差距离。

7.根据权利要求6所述搭载有针对浅海分层弹性海底的浅海声场计算方法的设备，其特征在于：所述扰流片(202)上开设有半月形扰流孔(204)，所述扰流孔(204)与扰流片(202)竖直面的倾斜角为15°-35°。