水下运动球体声散射特性计算方法研究

摘要

目前水下通信以及物体探测主要依靠声传播的方式进行,声在传播的过程中会遇到各种各样的障碍。研究物体（尤其是运动的物体）的声散射特性对于提高水下探测精度，增强水下声通信能力具有重要的意义。本文构建运动球体的散射声场计算模型，为运动物体声散射求解提供一种新思路。 首先，基于球谐函数展开的方法，分别推导了刚性球和气泡在平面波入射下外部的散射声场和气泡内部的声场表达形式并编写了C++程序。为了验证推导结果的正确性，使用基于边界元方法的VirtualLab软件进行验证。两者的远场指向性结果完全一致，证明球谐函数展开的结果是准确的。随后，对所编写的程序进行误差分析，结果表明：在一定范围内，展开项数越多，计算结果越精确；声学计算的波数越大，所需要的展开项越多。在确定正确的参数后，详细分析了刚性球和气泡外部散射声场的特性以及气泡内部声场的特性。 然后，构建了运动物体的声散射模型。在考虑流固耦合的情况下，根据理论公式和SPH方法获得了流场以及散射体的运动信息后，使用基于球谐函数展开的理论公式即可计算任意时刻散射体的散射声场。随后，使用所构建的模型研究了做离心运动的气泡,水中自由下沉的刚性球和水底上浮的气泡在平面波入射下的声散射特性。结果表明：在所研究的三种运动情况下，球体散射声场的远场指向性与静止情况下并不相同。在静止情况下，如果等效频率较小，散射声场能量主要集中在面向声源方向；如果等效频率较大，能量则主要集中在背向声源方向。而对于运动情况下，在较小和较大等效频率下，散射声场的能量都集中在面向声源的方向。 最后，考虑到获得精细的声场图像需要较大的计算量的特点，本文使用基于CUDA（Compute Unified Device Architecture）的GPU加速技术对声学计算过程进行加速。之后对计算的结果进行验证并讨论了不同因素对计算时间的影响，如展开项数，计算平台等。结果表明，在一定情况下，GPU加速可获得近200倍的加速比，可大大缩短声学计算的时间，为实际海洋水下结构声散射计算提供技术手段。

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