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水下稳态涡流场声传播特性

喻敏 闫婧洁 王志鸿 王献忠

喻敏, 闫婧洁, 王志鸿, 王献忠. 水下稳态涡流场声传播特性[J]. 声学学报, 2023, 48(6): 1111-1118. doi: 10.12395/0371-0025.2022053
引用本文: 喻敏, 闫婧洁, 王志鸿, 王献忠. 水下稳态涡流场声传播特性[J]. 声学学报, 2023, 48(6): 1111-1118. doi: 10.12395/0371-0025.2022053
YU Min, YAN Jingjie, WANG Zhihong, WANG Xianzhong. Sound propagation characteristics of underwater steady-state vortex field[J]. ACTA ACUSTICA, 2023, 48(6): 1111-1118. doi: 10.12395/0371-0025.2022053
Citation: YU Min, YAN Jingjie, WANG Zhihong, WANG Xianzhong. Sound propagation characteristics of underwater steady-state vortex field[J]. ACTA ACUSTICA, 2023, 48(6): 1111-1118. doi: 10.12395/0371-0025.2022053

水下稳态涡流场声传播特性

doi: 10.12395/0371-0025.2022053
基金项目: 国家自然科学基金项目(52271349)资助
详细信息
    通讯作者:

    喻敏, yumin@whut.edu.cn

  • PACS: 43.20, 43.30, 43.35

Sound propagation characteristics of underwater steady-state vortex field

  • 摘要:

    基于射线声学理论研究了水下稳态涡流场的声传播特性。首先, 根据移动介质中的程函方程, 推导了二维稳态涡流场的射线微分方程组, 实现了声波通过涡流场的声线轨迹模拟, 获取了通过不同涡流场的声信号; 然后, 基于稳态涡流场的声传播特性, 构建了接收声信号相位与涡流场特征参数之间的映射关系, 通过数值仿真反演稳态涡流场特征参数, 仿真结果与理论值的相对误差在15%以内。仿真结果表明: 基于射线理论可以有效模拟声信号通过涡流场的声线轨迹及信号变化, 具有直观、计算效率高的优势; 随着涡环量增大, 涡流对声传播的影响更为明显; 利用声信号相位可实现对速度分布、涡核位置、涡环量等涡流场特征参数的估计。

     

  • 图 1  声线轨迹数值仿真示意图

    图 2  涡流场声传播特性示意图

    图 3  水中收发位置与涡核中心示意图

    图 4  Burgers涡流场速度分布图

    图 5  不同马赫数情况下声线传播轨迹 (a) $ Ma = 4.6 \times {10^{ - 4}} $; (b) Ma $ = 4.6 \times {10^{ - 2}} $

    图 6  接收声信号振幅比、相位差变化分析 (a) 振幅比$A^R$随阵元位置变化(y方向)曲线; (b) 相位差$ \Delta \varphi $随阵元位置变化(y方向)曲线

    图 7  移动介质中声线轨迹的计算 (a) 介质声速分布示意图; (b) 所提算法与文献[15]算法所得结果对比

    图 8  算法仿真结果与文献实验结果的对比 (a) 接收声信号振幅比; (b) 接收声信号相位差比

    图 9  不同涡流场参数下接收声信号相位差 (a) 不同涡核半径; (b) 不同马赫数; (c)不同涡流场类型

    图 10  4种仿真条件下声波通过涡流场的声线轨迹及接收声信号相位差

    图 11  反演涡流场速度分布 (a) 条件II; (b) 条件IV

    图 12  涡场的声线轨迹及接收声信号相位差

    图 13  反演涡流场速度分布

    表  1  涡流场特征参数反演

    仿真
    条件
    涡流特征参数理论值估计值相对
    误差
    条件II涡核位置y = 0 cmy = 0 cm0.0%
    涡环量0.0146 rad0.0142 rad2.7%
    涡核半径0.24 cm0.25 cm4.2%
    最大切向速度0.69 m/s0.6654 m/s3.6%
    条件III涡核位置y = 1.5 cmy = 1.5 cm0.0%
    涡环量0.0146 rad0.0141 rad3.4%
    涡核半径0.24 cm0.25 cm4.2%
    最大切向速度0.69 m/s0.6427 m/s6.9%
    条件IV涡核位置y = 0 cmy = 0 cm0.0%
    涡环量0.0104 rad0.0101 rad2.9%
    涡核半径0.24 cm0.25 cm4.2%
    最大切向速度0.69 m/s0.5944 m/s13.8%
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-03
  • 修回日期:  2022-12-28
  • 刊出日期:  2023-11-02

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