一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法

本申请的实施例涉及水下声学仿真，特别涉及一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法。

背景技术：

1、水下声学仿真是海洋科学和工程的一个关键分支，涉及对声波在水下环境中的传播、散射、吸收和反射的研究。水下声学仿真在海洋探测、潜艇隐身、海底资源勘探以及环境监测等诸多领域都有广泛应用。在这些应用中，准确模拟和预测水下声场是至关重要的。

2、传统的水下声场仿真主要依赖于频域分析方法，这些方法在特定频率下研究声波的传播特性，通常需要假设声场是稳定的。然而，它们在处理瞬态声信号时存在局限性，因为瞬态声场涉及时间上的变化，而频域方法难以捕捉这种动态性。

3、随着计算技术的发展，时域方法开始得到更广泛的应用。时域方法可以模拟声波的瞬态传播过程，适合处理动态场景，如移动声源或介质特性的变化。然而，业内的基于时域分析的声场仿真方法面临计算成本高、对边界条件的处理存在限制、以及在处理宽频带信号时的准确性偏低的问题。

技术实现思路

1、本申请的实施例的主要目的在于提出一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法，能够结合时域和频域的优势，高效、准确地模拟宽频带的瞬态声场，提高水下瞬态声场仿真的实用性和准确性。

2、为实现上述目的，本申请的实施例提供了一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法，所述方法包括：为目标水下空间建立满足预设的边界条件的声学波动方程；基于模态展开方法和时域谱展开方法对所述声学波动方程进行求解，将所述目标水下空间的声场表示为所述目标水下空间的模态函数与时域谱展开系数的线性组合的形式；计算所述模态函数，并基于计算出的模态函数对所述时域谱展开系数进行求解，得到所述时域谱展开系数的解；基于所述计算出的模态函数和所述时域谱展开系数的解，得到所述目标水下空间的声场对应的水下瞬态声场模型，并对所述水下瞬态声场模型进行仿真，确定声波在所述目标水下空间的传播过程。

3、为实现上述目的，本申请的实施例还提供一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真系统，所述系统包括：方程构建模块，用于为目标水下空间建立满足预设的边界条件的声学波动方程；方程求解模块，用于基于模态展开方法和时域谱展开方法对所述声学波动方程进行求解，将所述目标水下空间的声场表示为所述目标水下空间的模态函数与时域谱展开系数的线性组合的形式；模态函数计算模块，用于计算所述模态函数；时域谱展开系数求解模块，用于基于计算出的模态函数对所述时域谱展开系数进行求解，得到所述时域谱展开系数的解；模型构建模块，用于基于所述计算出的模态函数和所述时域谱展开系数的解，得到所述目标水下空间的声场对应的水下瞬态声场模型；仿真执行模块，用于对所述水下瞬态声场模型进行仿真，确定声波在所述目标水下空间的传播过程。

4、为实现上述目的，本申请的实施例还提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述所述的一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法。

5、为实现上述目的，本申请的实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述所述的一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法。

6、本申请的实施例提出的一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法，通过结合时域分析的动态捕捉能力和频域分析的频率细节解析能力更精确地模拟宽频带的水下瞬态声场的复杂动态，在使用该仿真方法处理快速变化的声源或环境条件时，能够提供更为精确的仿真结果。该仿真方法具有强大的普遍适用性，能够有效处理从浅水区到深海的各种复杂的声学环境，包括不均匀的声速剖面和多变的海洋条件，这种普遍适应性确保了仿真结果的全面性和可靠性。该仿真方法因其原理支持复杂和详尽的研究分析，有助于推动水下声学领域的理论和实践进步，尤其特别适用于需要深入理解声波在水下复杂环境中交互作用的高级研究。该仿真方法凭借其高效率和准确性，不仅适用于传统的海洋探测和资源勘探，还可以扩展到环境监测、潜艇隐身技术和海洋生物研究等多个领域。该仿真方法在处理含有噪声或不完整数据的复杂环境时表现出极高的鲁棒性，即使在数据质量受限的情况下，也能提供准确、可靠的仿真结果。

7、在一些可选的实施例中，通过以下公式，为目标水下空间建立满足预设的边界条件的声学波动方程：

8、

9、其中，表示拉普拉斯算子，表示所述目标水下空间中位置处在时刻的声压，表示水下声速；

10、所述预设的边界条件通过以下公式表示：

11、

12、其中，表示梯度算子，表示边界外法向量，表示预设的比抗导纳，为的简化表示。

13、在一些可选的实施例中，所述基于模态展开方法和时域谱展开方法对所述声学波动方程进行求解，将所述目标水下空间的声场表示为所述目标水下空间的模态函数与时域谱展开系数的线性组合的形式，通过以下公式实现：

14、

15、其中，表示模态阶数，表示所述时域谱展开系数，表示所述目标水下空间的模态函数。

16、在一些可选的实施例中，使用fe特征求解器计算所述模态函数，计算出的模态函数在所述目标水下空间中满足正交性质，所述正交性质通过公式表示为：

17、

18、其中，表示所述目标水下空间，表示计算出的第阶的模态函数，表示计算出的第阶的模态函数，为的简化表示；

19、所述计算出的模态函数与其对应的模态频率满足以下关系：

20、

21、其中，表示计算出的第阶的模态函数对应的模态频率。

22、在一些可选的实施例中，所述基于计算出的模态函数对所述时域谱展开系数进行求解，得到所述时域谱展开系数的解，包括：基于计算出的模态函数，对表示为所述目标水下空间的模态函数与时域谱展开系数的线性组合的形式的所述目标水下空间的声场，进行所述目标水下空间的积分，得到积分公式；根据格林公式对所述积分公式进行变换，得到关于所述时域谱展开系数的微分方程；对所述微分方程进行求解，得到所述时域谱展开系数的解。

23、在一些可选的实施例中，所述积分公式表示为：

24、

25、所述关于所述时域谱展开系数的微分方程表示为：

26、

27、

28、其中，为的简化表示，表示所述目标水下空间的表面积；

29、所述时域谱展开系数的解表示为：

30、

31、

32、其中，表示声源的位置。

33、在一些可选的实施例中，所述基于所述计算出的模态函数和所述时域谱展开系数的解，得到所述目标水下空间的声场对应的水下瞬态声场模型，通过以下公式实现：

34、

35、其中，m表示预设的模态阶数的上限值。

技术特征：

1.一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法，其特征在于，通过以下公式，为目标水下空间建立满足预设的边界条件的声学波动方程：

3.根据权利要求2所述的一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法，其特征在于，所述基于模态展开方法和时域谱展开方法对所述声学波动方程进行求解，将所述目标水下空间的声场表示为所述目标水下空间的模态函数与时域谱展开系数的线性组合的形式，通过以下公式实现：

4.根据权利要求3所述的一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法，其特征在于，使用fe特征求解器计算所述模态函数，计算出的模态函数在所述目标水下空间中满足正交性质，所述正交性质通过公式表示为：

5.根据权利要求4所述的一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法，其特征在于，所述基于计算出的模态函数对所述时域谱展开系数进行求解，得到所述时域谱展开系数的解，包括：

6.根据权利要求5所述的一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法，其特征在于，所述积分公式表示为：

7.根据权利要求6所述的一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法，其特征在于，所述基于所述计算出的模态函数和所述时域谱展开系数的解，得到所述目标水下空间的声场对应的水下瞬态声场模型，通过以下公式实现：

8.一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真系统，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至权利要求7中任一项所述的一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法。

技术总结
本申请的实施例涉及水下声学仿真技术领域，特别涉及一种基于时域谱展开的水下瞬态声场仿真方法，该方法包括：为目标水下空间建立满足预设的边界条件的声学波动方程；基于模态展开方法和时域谱展开方法对声学波动方程进行求解，将目标水下空间的声场表示为目标水下空间的模态函数与时域谱展开系数的线性组合的形式；计算模态函数，并基于计算出的模态函数对时域谱展开系数进行求解，得到时域谱展开系数的解；基于计算出的模态函数和时域谱展开系数的解，得水下瞬态声场模型，并对水下瞬态声场模型进行仿真，确定声波在目标水下空间的传播过程，从而结合时域和频域的优势模拟水下瞬态声场，提高水下瞬态声场仿真的实用性和准确性。

技术研发人员：王海涛,郑勇,曾向阳,任树伟,雷烨
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21