三维声传播模型BELLHOP3D的信息传递接口并行优化

近些年,我国对海洋不断深入的探索对复杂环境中声场的快速预报提出了越来越高的需求。BELLHOP3D是一种基于射线法的三维声传播计算模型,在海洋声学中应用十分广泛。BELLHOP3D的计算效率比其他常用模型高,但是仍然有非常大的提升空间。该文使用信息传递接口对BELLHOP3D进行粗粒度的并行优化,并行后的程序计算结果稳定可靠,并行效率高,更适合在实际应用中实现快速的声场预报。并行BELLHOP3D程序可以在https://github.com/nj-zyq/BELLHOP3D＿MPI.git下载。     

水声射线传播的黎曼几何建模·基础理论

水声建模一般采用外嵌描述,即以欧氏空间固定坐标系等要素刻画水声信道.黎曼几何是弯曲空间上的内蕴几何学,更能反映流形的本质性质.水声学高斯波束模型借鉴自地震学,可有效避免传统射线追踪的弊端,在以Bellhop为代表的水声模型中得到广泛应用,是水声射线建模与应用的主流方法之一.传统水声射线建模的欧氏空间底流形假设,难以有效刻画高斯波束的弯曲特性.本文通过建立水声射线传播的黎曼几何基本理论,得到程函方程、动态射线方程及高斯波束模型的黎曼几何内蕴形式,分析了水声射线几何拓扑性质,指出水声射线模型中的焦散点等价于黎曼几何中的共轭点,高斯波束几何扩展是测地线沿雅可比场的偏离,波束声线会聚体现为声场正截面曲率作用下偏离的测地线在共轭点的交汇.为验证理论正确性与适用性,本文以水平分层距离相关环境为例,给出特定环境和坐标系下应用前序理论建模的具体方法.3个典型水声传播算例的仿真对比分析,表明水声传播黎曼几何理论模型是准确有效的,相比Bellhop模型所采用的计算方法,具有更为清晰的数学物理含义.本文基础理论可方便推广至曲面、三维各向异性等情形,为后续在三维弯曲球体流形、四维时变伪黎曼流形等声传播环境下的...     

海洋声学中三维抛物方程非均匀网格模型

在海洋声学中,三维抛物方程模型可以有效考虑三维空间的声传播效应。然而,采用三维抛物方程模型分析三维空间内的声传播问题时,计算时间较长,并且需要消耗较大的计算机内存,因此给远距离声场的快速精确计算带来了很大困难。为此,将非均匀网格Galerkin离散化方法用于三维直角坐标系下的水声抛物方程模型中,深度算子和水平算子Galerkin离散方式由均匀网格变为非均匀网格。仿真结果表明,三维直角坐标系下非均匀网格离散的抛物方程模型,在保持计算精度、提高计算速度的同时,可以实现远距离声场的快速预报。另外,针对远距离局部海底地形与距离有关的三维声传播问题,给出了声场快速计算方法;在海底保持水平的区域,采用经典Kraken模型,重构抛物方程算法的初始场,随后依次递推求解地形与距离有关海底下的三维声场。采用改进模型,证明了远距离楔形波导声强增强效应。      

水平变化波导中的简正波耦合与能量转移

针对海底地形水平变化对声场能量传播和声场干涉结构的影响,对简正波之间的耦合和能量转移进行了研究.建立了一种二维大步长格式的耦合简正波模型和三维楔形波导耦合简正波模型,以便快速有效地分析简正波之间的耦合和能量转移.基于耦合简正波模型,阐述了前向声场能量在水平变化波导中传播时的转移过程.并根据射线简正波理论,解释了海底地形变化对声场能量分布的影响机理.水平变化波导中声场的仿真计算表明,当本征值虚部发生剧烈变化时声场存在着较强的简正波耦合和能量转移,且海底地形变化将导致声场能量的水平传播方向偏转至海水深度增加的方向.在声场能量转移和传播方向变化中,声场的能量趋于保留在波导中而不向海底泄漏.同时,声场能量分布受到类似于压缩或稀疏的作用,从而形成椭圆状的干涉结构.     

水平不变浅海环境随机扰动对声传播的影响

本文主要讨论浅海水平不变波导中的低频声传播问题,为环境适配声纳设计奠定基础。通过仿真分析了海水及海底环境参数对传播损失的影响,根据仿真及实验结果,建立了声速剖面随机扰动及海面、海底起伏条件下的声强分布概率模型,并利用模型中的形状参数α和尺度参数β,提出了局部蒙特卡洛模拟加曲线拟合的声场敏感性分析方法。仿真及实验结果表明声场传播损失服从伽马分布,良好水文条件下10 km距离的声场能量起伏也达到10 d B,随着距离增加,声场敏感性增加。本文所提出方法通过对近场声场的测量和统计实现对远场声场敏感性的预报,与全声场蒙特卡洛模拟相比计算量减小一个数量级。     

利用拖船自噪声进行浅海环境参数贝叶斯反演

研究了以拖船自噪声为参考声源的浅海环境参数反演问题,并针对反演结果不确定性快速量化评估问题,提出了一种基于自适应重要性抽样的贝叶斯反演新方法。反演利用了拖船自噪声低频线谱成分,并采用混合高斯推荐函数自适应推荐声场模型样本,使得样本集中于参数高概率密度区域,实现后验概率密度快速收敛计算。仿真试验结果表明:拖船自噪声反演能够准确估计水深、沉积层及阵列参数等。所提自适应重要性抽样贝叶斯反演方法的计算效率优于快速吉布斯抽样方法。利用试验数据处理验证,反演得到试验海域声学环境参数,计算传播损失与各阵元接收线谱强度变化吻合,说明反演最优环境模型能准确表征声场传播特征。      

多层奥氏体钢中超声相控阵辐射声场分析

针对一维线性超声相控阵透过楔块,在多层不同晶轴取向的奥氏体钢中的声场辐射问题,结合高斯声束等效点源模型以及基于时间最小原理的射线追踪法,给出了各层介质中透射声场的计算方法。将奥氏体钢近似为横向各向同性介质,计算了相控阵透过楔块,在晶轴取向为0°的奥氏体钢中的无延时纵波声场,计算结果与COMSOL仿真结果相吻合,从而验证了所用方法的正确性。通过加入不同的延迟法则,仿真计算了三层含有不同晶轴取向(0°,30°,100°)的奥氏体钢中的纵波声场,实现了相控阵声场的偏转与聚焦,分析了偏转声场与聚焦声场的传播特性。仿真结果表明,不同的晶轴取向将导致不同的声束偏转以及聚焦效果。通过延迟激励各阵元,虽然可以控制声束偏转或聚焦到预定位置,但是晶轴取向仍会对声束宽度以及幅值产生一定的影响。      

采用能量守恒和高阶Padé近似的三维水声抛物方程模型

为了充分考虑海底地形随三维空间变化的海洋环境中水平方位角耦合效应对声传播的影响,建立了一种三维柱坐标系下流体高阶抛物方程算法。该算法采用泰勒近似将二维方根算子分裂成一维方根算子,并采用分裂步进的高阶Pade近似将一维方根算子写成微分算子有理分式连乘的形式,进而应用Galerkin离散化方法来处理微分算子,最终将微分方程写成矩阵方程的形式;采用能量守恒近似来处理海底边界,以考虑复杂海底对于声传播的影响;采用交替方向隐式格式,实现了三维声场的步进计算。楔形和海底山等典型海域声场仿真计算表明,相比于已有的声场计算模型,三维柱坐标系下高阶抛物方程模型可以更加精确地计算楔形海域和海底山区域的三维声场,实现水平方位全空间声场计算。     

应用随机模型方法预测汽车风噪声

采用随机模型方法,对简化汽车头部外形进行风噪声数值模拟.将计算区域分为声源区域和传播区域,在声源区域采用随机模型构造湍流脉动速度场,传播区域通过求解带源项的线化欧拉方程实现声波向外传播得到声场解.同直接模拟方法相比,该方法具有计算量小、计算所需内存少等优点.数值模拟结果与实验数据吻合较好,验证了该方法预测汽车风噪声的可行性,为研究实际汽车外形的风噪声问题打下基础.     

复等效深度耦合简正波模型

为了考虑海底地形随距离变化的非水平分层介质中割线积分对声场的贡献,提出了复等效深度耦合简正波模型。该耦合简正波模型由介质运动方程和连续性方程推导得到了耦合微分方程组,此方程组满足海底地形随距离变化情况下的边界条件且仅包含一个耦合矩阵,并通过引入复等效深度理论处理连续谱和离散谱之间的相互耦合。仿真计算表明,复等效深度耦合简正波模型提高了波导简正波本征值位于割线枝点附近情况下声传播损失的计算精度,充分考虑了波导简正波、非波导简正波和割线积分对声场的贡献,可快速而准确地计算非水平分层介质中的声场。      

狭长封闭声场的近似圆锥束跟踪法模拟研究

狭长空间声传播特性研究对于地铁，长廊等场所的音质设计是非常有意义的，本文提出了模拟狭长封闭声场的近似圆锥束跟踪法，利用它研究了矩形和非矩形狭长声场的空间分布特性。仿真结果表明，对于狭长声场，经典扩散场理论并不适用，而利用本文的数值模拟方法能正确地分析这类声场的特性。     

高斯射线束方法在深海匹配场定位中的应用

匹配场定位作为一种水声被动定位方法,其拷贝场计算方法的精度和速度对定位效果和定位效率有着直接的影响。尤其在深海,目前浅海中常用的拷贝场计算方法如简正波法、抛物方程近似等在深海中往往存在计算效率不够、内存需求大、难以满足实际应用的需求。高斯射线束方法具有计算速度快,物理意义清晰,易于并行化处理等优点,非常适合于深海近程声场计算。通过数值仿真算例和海上实验数据的处理验证了高斯射线束方法用于拷贝场计算的有效性。仿真和实验数据处理结果表明,采用高斯射线束方法计算拷贝场在深海匹配场定位中有很好的定位效果.      

典型北极冰下声信道多途结构分析及实验研究

针对北极海域典型声场环境,提出了基于OASES-Bellhop耦合模型的冰下声信道多途结构快速分析方法。模型将海冰等效为具有粗糙界面的弹性分层介质,利用微扰法与Kirchhoff近似,估计海冰界面不均匀造成的散射损失,结合射线传播理论对典型北极冰下声信道多途结构进行分析与预报。数值仿真与实验结果表明,在6 km距离处,典型北极冰下声信道由于海冰与海底反射分别形成多途结构,海冰多次反射路径叠加形成的多途结构较为稳定,时延扩展在14 ms范围内,海底反射路径强度相对较弱。OASES-Bellhop模型对冰下声信道多途结构幅度和时延预测误差较小,能够较好的解释及预报实验观测到的多途结构环境特性。      

Design and simulation of multitarget compounding system based on dimpled mirror

Multitarget compounding technique is a vital one in hardware-in-the-loop simulation system. In this study, we constructed ray tracing model and presented systematical data of design, simulation and characterization for multitarget compounding system based on dimpled mirror. Simulation results of beamwidth and targets compounding were sound agreed with theoretical results. Beamwidth dependence properties on main parameters were achieved and diameter of small mirror on the dimpled mirror had highest sensitivity to beamwidth. We modified beam broadening theory by concerning sphere aberration. Targets compounding results were not perfect any more when abaxial distance was over 400 mm. Proposed model and the properties investigated are important for the design, optimization and fabrication of multitarget compounding system based on dimpled mirror.     

适用于任意形状封闭空间的声场预测相干模型

针对现有几何声学的方法对封闭空间内声场进行预测时在中低频段出现较大误差的问题,该文提出一种近似圆锥声束追踪法和相干反射场理论相结合的声场预测新模型。在近似圆锥声束追踪法基础上,考虑声束轴线在边界多次反射时声压和相位的改变,最后计算不同声波之间的干涉效应,建立一种适用于任意形状封闭空间的声场预测相干模型。利用该模型对某一矩形封闭空间进行声场预测,通过对边界元法、Raynoise软件相干和非相干算法的预测结果和本模型的数值模拟结果对比。结果表明,文中提出的方法和边界元法的计算结果在中低频段非常吻合,两者的计算结果平均绝对误差为1.1 d B。本模型在中低频率下与同样考虑了相位的Raynoise相干算法相比有更好的准确性,在较高频率上,本模型计算结果与Raynoise相干算法计算结果非常吻合。     

采用小生境遗传算法反演浅海声速剖面研究*

针对浅海声速剖面反演问题,采用小生境遗传算法,结合声线搜索的最快本征声线匹配反演,实现浅海负跃层条件下的声速剖面估计。利用经验正交函数对声速剖面的多参数不确定性降维,依据声场计算模型获取的最快特征声线传播时延与观测声传播时长进行匹配,采用小生境遗传优化算法,获取最优经验正交函数估计,实现声速剖面反演。按上述方法反演处理浅海声传播实验数据,结果表明,该方法针能够有效反演浅海声速剖面,并且显著优于传统遗传算法反演结果。     

A beam tracing method for interactive architectural acoustics

A difficult challenge in geometrical acoustic modeling is computing propagation paths from sound sources to receivers fast enough for interactive applications. This paper describes a beam tracing method that enables interactive updates of propagation paths from a stationary source to a moving receiver in large building interiors. During a precomputation phase, convex polyhedral beams traced from the location of each sound source are stored in a "beam tree" representing the regions of space reachable by potential sequences of transmissions, diffractions, and specular reflections at surfaces of a 3D polygonal model. Then, during an interactive phase, the precomputed beam tree(s) are used to generate propagation paths from the source(s) to any receiver location at interactive rates. The key features of this beam tracing method are (1) it scales to support large building environments, (2) it models propagation due to edge diffraction, (3) it finds all propagation paths up to a given termination criterion without exhaustive search or risk of under-sampling, and (4) it updates propagation paths at interactive rates. The method has been demonstrated to work effectively in interactive acoustic design and virtual walkthrough applications.     

A ray model for hard parallel noise barriers in high-rise cities

A ray model is developed and validated for prediction of the insertion loss of hard parallel noise barriers placed in an urban environment either in front of a row of tall buildings or in a street canyon. The model is based on the theory of geometrical acoustics for sound diffraction at the edge of a barrier and multiple reflections by the ground, barrier and fa?ade surfaces. It is crucial to include the diffraction and multiple reflection effects in the ray model as they play important roles in determining the overall sound pressure levels for receivers located between the fa?ade and the near-side barrier. Comparisons of the ray model with a wave-based boundary element formulation show reasonably good agreement over a broad frequency range. Results of scale model experimental studies are also presented. It is demonstrated that the ray model agrees tolerably well with the scale model experimental data.     

The impact of the neck material on the sound absorption performance of Helmholtz resonators

Helmholtz resonators with sound absorption materials filling the neck may have an improved sound absorption capacity. In this work, parallel perforated ceramics with different perforation diameters were installed into the neck of a Helmholtz resonator to improve its acoustic impedance to simultaneously achieve a better acoustic absorption coefficient and a wider absorption bandwidth. An experimental system was built to investigate the effect of the perforation diameters on the sound absorption performance of the resonator. It is found that nonlinear effects near the resonance frequency affect the resonator?s neck mouth impedance and further its sound absorption performance significantly. For frequency range 50–500 Hz, a model of the neck mouth impedance is developed based on a revised Forchheimer relationship. The experimental results are in good agreement with the theoretical model.