專利名稱：一種透鏡聲場建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種聲場的建模方法。具體地說是一種聲波通過透鏡后的聲 場模型的建立方法。(二) 背景技術(shù)高分辨率成像聲納在水下探測和海洋資源開發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用。利用聲透 鏡進行波束形成是一種新的波束形成方法，可以以較小的體積和功耗獲得較高的 分辨率。在透鏡聲納的設(shè)計開發(fā)中， 一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是分析聲波通過透鏡后，聚焦焦點 的位置，以及分辨率、旁瓣、探測開角等聲納性能指標。在設(shè)計和理論分析階段， 這些指標可以而且只能通過計算透鏡聲場的數(shù)學(xué)模型得到。Kevin Fink， Computer Simulation of Pressure Fields Generated by Acoustic Lens Beamfo匿rs, University of Washington ，1994[D]和卞紅雨、桑恩方等，聲 透鏡波束形成技術(shù)仿真研究，哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2004. l的參考文獻中介紹了 利用幾何聲學(xué)和波動聲學(xué)構(gòu)成的混合模型進行聲場建模的方法。但這些方法還存 在一些需要改進之處，例如沒有充分地考慮了聲波的波動性，不能很好地適應(yīng)對 透鏡聲場進行建模和仿真等。(三) 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種更充分地考慮了聲波的波動性，能夠更好地對透 鏡聲場進行建模和仿真的透鏡聲場建模方法。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的8) 初始參數(shù)定義，定義聲波的頻率與聲壓幅度，外部介質(zhì)與聲透鏡的聲學(xué)參數(shù);9) 建立坐標系，以聲透鏡的厚度方向為x軸，當計算透鏡內(nèi)部的聲場時，以前界面的中心為原點G,空間內(nèi)任意點g以(x， r， 表示，其中x為過點 2與X軸垂直的平面與X軸的交點;c,距0,的距離，r為該平面內(nèi)^c,線段的長 度，P為該平面內(nèi)0^直線與垂直向上方向的夾角；當計算透鏡外部的聲場時，原點A位于透鏡后界面的邊緣所圍成的平面與X軸的交點，其它定義同上；10) 聲波從外部介質(zhì)由透鏡的前界面射入透鏡，按照聲波的射線性計算聲波 的折射方向與聲壓的幅度、相位；11) 過0,垂直于X的平面記為平面1，進一步計算平面1上各點的復(fù)聲壓；12) 將平面1上的每一點看作球面子波源，根據(jù)聲波的波動性，計算透鏡第 二個凹面內(nèi)部各點的復(fù)聲壓；13) 再次按照射線性計算聲波射出后界面的折射角與聲壓的幅度、相位；14) 過^垂直于X的平面記為平面2，計算平面2上各點的復(fù)聲壓；8)按照第5步的方法計算透鏡后部的聲壓場。在透鏡聲納設(shè)計過程中，必須在計算透鏡聲場分布的基礎(chǔ)上，分析焦點位置、 主瓣寬度、波束圖等參數(shù)，這些參數(shù)與聲透鏡設(shè)計與聲納探測分辨率密不可分。 本發(fā)明的方法在原有方法同時考慮聲波的射線性與波動性的基礎(chǔ)上，更充分地考 慮了聲波的波動性，且具有較高計算速度。本方明詳細論述了透鏡聲場模型的建 立方法，并給出了仿真計算結(jié)果。相比于原有方法，本方明從第一個界面開始引 入聲波的波動性，仿真結(jié)果更加符合聲場的真實情況。利用本發(fā)明的方法不僅可 以獲得聲場分布，還可以得到焦點位置、主瓣寬度、波束圖等透鏡聲納的重要指 標，為聲透鏡波束形成技術(shù)應(yīng)用于成像聲納奠定了理論基礎(chǔ)。(四)


圖l、圖2為坐標系示意圖；圖3為介質(zhì)參數(shù)示意圖；圖4為仿真計算出的聲場分布圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述 1.初始參數(shù)定義定義聲波的頻率為/，初始幅度為A0。設(shè)聲波由介質(zhì)1通過由介質(zhì)2制成的聲透鏡后再進入介質(zhì)1 (圖3)。定義介 質(zhì)l的密度和聲速為pi、 Ci，介質(zhì)2的密度和聲速為p2、 C2，介質(zhì)l、介質(zhì)2中 的聲衰減系數(shù)分別為ai、 a2。 /,和"分別為在介質(zhì)1和介質(zhì)2中聲波傳播的物理路徑長度。2. 建立坐標系，為實現(xiàn)聲波的聚焦，透鏡為凹透鏡。當計算透鏡內(nèi)部的聲場時，以前界面的中心為原點O,，以透鏡的厚度方向 為X軸，空間內(nèi)任意點Q以(;c， r， 6)表示，其中:c為過點g與X軸垂直的平 面與X軸的交點jc,距原點的距離，r為該平面內(nèi)0^線段的長度，^為該平面內(nèi)0Ci直線與垂直向上方向的夾角；當計算透鏡外部的聲場時，原點02位于透鏡后界面后垂直于X軸的平面的中心，其它定義同上(圖l、圖2)。3. 按照聲波的射線性計算聲波的折射方向與復(fù)聲壓設(shè)聲波由介質(zhì)1射入介質(zhì)2時，與C^軸的夾角是^，其他位置的入射角可以由透鏡的幾何形狀方程得到。由上面定義，聲波與透鏡軸線交點處Q1的聲壓 為折射角A可根據(jù)下式計算-sin/ —q sin々2 c2聲波由介質(zhì)1入射到介質(zhì)2時的折射系數(shù)可以表示為丄12 =-/72C2 COS A + Aq COS yff2入射到透鏡內(nèi)，Q2點的聲壓為—2巧C2CosA exp(-汰"/ 2C2 COS A + Z !Ci COS ^依此可算出透鏡前界面內(nèi)部各點的聲壓和聲線方向。4. 過q垂直于x的平面記為平面l，進一步計算平面1上各點的復(fù)聲壓。依據(jù)透鏡的界面方程可以算出前界面上各點聲波傳播至平面l所經(jīng)過的物 理路徑，由此計算平面1上各點的聲壓和方向。5. 按照聲波的波動性計算后界面內(nèi)部各點的復(fù)聲壓。將平面1上的每一點看作球面子波源，以每一子波源為中心發(fā)射球面子波，在其前部聲壓場的聲壓幅值就是這些子波的疊加，同時要考慮到他們的相對振幅 和相位。每一子波的振幅在原始波前的傳播方向上最大，在其相反的方向上最小為o。
透鏡后界面內(nèi)部任一點g4(Xt人,^)處的聲壓可表示為:
尸"，"卜士JT尸4
exp(-汰7 (5 ，《，jc4 ， r4, <94 ))
3
2;r "
其中
P3是平面l上03(O，^,^)點處的復(fù)聲壓，由第4步算出。 化=^ = ^為波數(shù)，A是波長，c是介質(zhì)中的聲速。
義 C
R是點^4和g3間的距離。
-艦
Y是點源的格林函數(shù)，它描述了作為聲壓場的干擾點源。
展幵偏微分，積分變?yōu)?br> ， -丄>4 exp(-^i (。，《，;t4, r4,64))
因為R相對聲波波長來說較大，上式可簡化為
2;r " 3 i 2(。， ;c4，r4A) 依此可以計算出透鏡后界面內(nèi)部各點的復(fù)聲壓。
6、 根據(jù)第3步算出的對透鏡第二個凹面內(nèi)部各點貢獻最大的聲線方向和透 鏡的后界面方程計算出該聲線射入后界面時的入射角度，入射聲壓取第5步計算 出的值，再次按照射線性計算聲波的折射角與聲壓的幅度、相位。
7、 過^垂直于x的平面記為平面2，進一步計算平面2上各點的復(fù)聲壓。
8、 按照與第5步相同的方法計算透鏡后部的聲壓場。 通過以上8個步驟可以計算出聲波通過透鏡后的聲場分布。
根據(jù)聲壓分布，可以得到焦點位置、主瓣寬度、波束圖等透鏡聲納的重要指標。 圖4為不同角度的入射聲波聚焦后的波束圖。
權(quán)利要求
1、一種透鏡聲場建模方法，其特征是1)初始參數(shù)定義，定義聲波的頻率與聲壓幅度，外部介質(zhì)與聲透鏡的聲學(xué)參數(shù)；2)建立坐標系，以聲透鏡的厚度方向為x軸，當計算透鏡內(nèi)部的聲場時，以前界面的中心為原點O1，空間內(nèi)任意點Q以(x，r，θ)表示，其中x為過點Q與x軸垂直的平面與x軸的交點x1距O1的距離，r為該平面內(nèi)Qx1線段的長度，θ為該平面內(nèi)Qx1直線與垂直向上方向的夾角；當計算透鏡外部的聲場時，原點O2位于透鏡后界面的邊緣所圍成的平面與x軸的交點，其它定義同上；3)聲波從外部介質(zhì)由透鏡的前界面射入透鏡，按照聲波的射線性計算聲波的折射方向與聲壓的幅度、相位；4)過O1垂直于x的平面記為平面1，進一步計算平面1上各點的復(fù)聲壓；5)將平面1上的每一點看作球面子波源，根據(jù)聲波的波動性，計算透鏡第二個凹面內(nèi)部各點的復(fù)聲壓；6)再次按照射線性計算聲波射出后界面的折射角與聲壓的幅度、相位；7)過O2垂直于x的平面記為平面2，計算平面2上各點的復(fù)聲壓；8)按照第5步的方法計算透鏡后部的聲壓場。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡聲場建模方法，其特征是所述的按照聲波 的射線性計算聲波的折射方向與聲壓的幅度、相位的方法是設(shè)聲波由介質(zhì)1射入介質(zhì)2時，與(9,x軸的夾角是A，其他位置的入射角 可以由透鏡的幾何形狀方程得到，聲波與透鏡軸線交點處Q1的聲壓為折射角^可根據(jù)下式計算sin A 一 q sin c2聲波由介質(zhì)1入射到介質(zhì)2時的折射系數(shù)表示為: 丄12 —/72C2 COS A + Aq COS yff2 入射到透鏡內(nèi)，Q2點的聲壓為:—2p,2CosA exp(-汰"p2c2 COS A + PA COS yff2 A 依此算出透鏡前界面內(nèi)部各點的聲壓和聲線方向。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的透鏡聲場建模方法，其特征是所述的按照聲波的波動性計算后界面內(nèi)部各點的復(fù)聲壓的方法是將平面1上的每一點看作球面子波源，以每一子波源為中心發(fā)射球面子波， 在其前部聲壓場的聲壓幅值就是這些子波的疊加，每一子波的振幅在原始波前的傳播方向上最大，在其相反的方向上最小為O，透鏡后界面內(nèi)部任一點24(^人，^)處的聲壓可表示為，，廠4, & )其中P3是平面1上g3(0，^，A)點處的復(fù)聲壓，]^=^=^為波數(shù)，；i是波長，c是介質(zhì)中的聲速，R是點g4和g3間的距離，一誠Y是點源的格林函數(shù)，它描述了作為聲壓場的干擾點源，展開偏微分，積分變?yōu)?/b>
(-汰 - 丄);<;4 exp(-汰i (。, 03, ;:4, 。, 04 )) 尸(X4， ，A) = 7 f|>3-^-—3媽因為R相對聲波波長來說較大，上式可簡化為- ,4) = ^1 f『P(，，^4々A)) 一依此計算出透鏡后界面內(nèi)部各點的復(fù)聲壓。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種透鏡聲場建模方法。包括初始參數(shù)定義；建立坐標系；按照聲波的射線性計算聲波的折射方向與聲壓的幅度、相位；進一步計算平面1上各點的復(fù)聲壓；計算透鏡第二個凹面內(nèi)部各點的復(fù)聲壓；再次按照射線性計算聲波射出后界面的折射角與聲壓的幅度、相位；計算平面2上各點的復(fù)聲壓；計算透鏡后部的聲壓場等步驟。本發(fā)明的方法在原有方法同時考慮聲波的射線性與波動性的基礎(chǔ)上，更充分地考慮了聲波的波動性，且具有較高計算速度。本發(fā)明詳細論述了透鏡聲場模型的建立方法，并給出了仿真計算結(jié)果。
文檔編號G01S7/523GK101256234SQ20081006429
公開日2008年9月3日 申請日期2008年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月15日
發(fā)明者卞紅雨, 菊 吳, 桑恩方, 沈鄭燕, 高云超 申請人:哈爾濱工程大學(xué)