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水下声场有效预报在声场理论研究、声呐设备研制方面都具有重要的意义。关于声场预报方法大致分为两类:第一类是解析解,第二类是数值解。第一类方法计算结果比较精确但适用海洋环境的局限性较大,第二类方法局限性较第一类方法小,但计算量大。有限元法属于第二类方法,相对于其它声场计算方法的一个优势是容易处理复杂边界的问题。
本文的工作是用有限元法进行浅海声场预报,主要工作如下:1、介绍了本文的研究目的和意义,回顾了基于有限元法的浅海声场预报的研究概况,并且对有限元法的基本原理以及一般问题的求解步骤做了简单介绍。
2、根据有限元法的基本理论结合本文的研究目的,推导了数学公式,并编程实现了基于有限元法的浅海声场预报方案,软件程序名为FEMLJ;方案中使用DtN边界条件模拟无穷远场,该方法被认为是求解无界区域问题的最好方法;在处理DtN边界条件时,使用人为排序方法避免了大量使用簿记和对矩阵重排序;为了节省内存,在矩阵计算中使用了稀疏矩阵技术,并对矩阵的计算和组装做了讨论,给出了具体的计算公式。
3、为了验证有限元法计算结果的有效性,用有限元法计算了简单的浅海模型,并与在预报声场方面较成熟的耦合简正波理论计算结果进行了对比。对仿真结果的对比分析表明,两种方法计算的声场等值线绝大部分有很好的一致性,同时,对于少数不一致的地方,进行了分析,并通过仿真证明了分析的合理性。
本文主要结果:(1)实现了基于有限元法的浅海声场预报方案,可以用于处理复杂边界的问题;(2)通过简单浅海模型仿真,证明了有限元法的计算结果的有效性,同时说明,用有限元法计算与距离有关的非均匀浅海波导声场是可行的。
因为在理论推导时本文并没有将该方法限定于浅海,所以可以将它推广应用到深海声场的计算。目前该方法还未解决含衰减沉积层和粘弹海底声场计算的问题,有待进一步研究解决办法。