本發(fā)明屬于聲傳播，具體涉及一種非均勻海洋中風(fēng)電場噪聲譜法寬角拋物方程建模方法。

背景技術(shù)：

1、目前，海上風(fēng)電場的快速發(fā)展已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，不僅因?yàn)槠淇稍偕茉吹木薮鬂摿?，更因?yàn)槠鋵Νh(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的影響。為了評估風(fēng)電場對海洋環(huán)境，特別是對海洋生物的聲污染影響，準(zhǔn)確模擬風(fēng)電場水下聲傳播變得尤為重要。

2、傳統(tǒng)的聲傳播模型有簡正波、波數(shù)積分、射線和拋物方程法等。其中，簡正波常用于處理水平分層介質(zhì)，適用于分析低頻遠(yuǎn)場淺海的聲傳播問題；波數(shù)積分法也用于處理水平分層介質(zhì)，計(jì)算精度高，常作為精確解，但不適用于隨距離變化的水平分層海洋環(huán)境；射線法適用于處理高頻的聲傳播問題，但對于一個(gè)波長范圍內(nèi)聲場變化較大的區(qū)域，如聲影區(qū)、焦散區(qū)等不適用；拋物方程法常用于處理環(huán)境隨距離變化的聲場，但是不適用于高頻聲場的計(jì)算。對于復(fù)雜邊界復(fù)雜環(huán)境還可以用數(shù)值方法如有限元、有限差分方法分析聲傳播問題，但由于數(shù)值方法計(jì)算量很大不適用于高頻深海遠(yuǎn)場計(jì)算。

3、在數(shù)值方法的背景下，光譜方法已經(jīng)開始在計(jì)算海洋中流行起來。雖然，光譜方法仍然是與有限差分和有限元方法比較的數(shù)值方法，其指數(shù)誤差收斂性使其在科學(xué)和工程數(shù)值模擬中逐漸獲得突出地位。一些具有代表性的數(shù)值實(shí)驗(yàn)證明了該算法的準(zhǔn)確性和有效性。然而，光譜法要求在前進(jìn)的步驟中，層的厚度不發(fā)生變化。因此，目前的光譜算法不能模擬具有地形波動(dòng)的波導(dǎo)，這是它的主要局限性。

4、廣角拋物線模型由于其在計(jì)算速度和精度上的平衡，成為目前中低頻聲傳播的主要數(shù)值模型之一。該模型利用切比雪夫光譜方法離散了用split-step?padéexpansion有理逼近的廣角拋物線模型，只考慮聲波正向傳播的情況下，大大降低了計(jì)算復(fù)雜度，并能適用于復(fù)雜海底條件?；诖?，如能研發(fā)一種針對非均勻海洋風(fēng)電場噪聲的譜法寬角拋物方程建模方法是非常有必要的，不僅能實(shí)現(xiàn)更全面地理解海上風(fēng)電場水下噪聲特性及其環(huán)境影響，還能為優(yōu)化工程設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理提供重要依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就在于，提供一種針對非均勻海洋風(fēng)電場噪聲的譜法寬角拋物方程建模方法，通過切比雪夫譜法將每層的深度算子離散化，將起伏海底切分為多個(gè)平坦區(qū)域，進(jìn)行迭代求解，以解決在處理復(fù)雜邊界和環(huán)境變化時(shí)存在顯著局限，特別是在高頻和深海遠(yuǎn)場計(jì)算中，有限元法和有限差分法由于計(jì)算量過大而難以適用的問題。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種針對非均勻海洋風(fēng)電場噪聲的譜法寬角拋物方程建模方法，對風(fēng)電場噪聲信號處理包括以下步驟：

4、s1、讀取風(fēng)電場噪聲數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，得到目標(biāo)時(shí)間內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)；

5、s2、確定所述目標(biāo)時(shí)間段內(nèi)有數(shù)據(jù)，進(jìn)行傅里葉變換，找到風(fēng)電場噪聲頻率范圍；

6、s3、提取風(fēng)電場噪聲不同頻率和距離的聲壓級；

7、s4、繪制風(fēng)電場水下噪聲不同距離、不同頻率聲壓；

8、s5、取頻域聲音傳播的控制方程，即亥姆霍茲方程，只考慮聲波正向轉(zhuǎn)播，展開并簡化亥姆霍次方程為拋物方程；

9、s6、通過切比雪夫多項(xiàng)式，實(shí)現(xiàn)物理空間和光譜空間之間的轉(zhuǎn)換，離散拋物方程；

10、s7、將聲邊界條件轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到譜空間，求解由邊界條件和離散控制方程的投影推導(dǎo)出的線性方程；

11、s8、求解第一段聲壓后，將第一段平坦海底聲壓作為下一段平坦海底的起始聲壓進(jìn)行迭代求解；

12、s9、將實(shí)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，計(jì)算聲傳播曲線。

13、進(jìn)一步地，步驟s1，具體包括以下步驟：

14、s11、原始數(shù)據(jù)進(jìn)行提取進(jìn)行去噪，得到原始數(shù)據(jù)，時(shí)域數(shù)據(jù)包括風(fēng)電場運(yùn)營期產(chǎn)生的水下噪聲；

15、s12、對時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行切分，讓不同距離的噪聲數(shù)據(jù)長度保持一致

16、進(jìn)一步地，步驟s2，具體包括以下步驟：

17、s21、去除噪聲數(shù)據(jù)直流分量，進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換；

18、s22、針對短時(shí)傅里葉變換后的數(shù)據(jù)，計(jì)算頻域最大聲譜峰，根據(jù)頻域特性確定風(fēng)電場噪聲頻率范圍。

19、進(jìn)一步地，步驟s5，具體為：在考慮前向傳播的條件下，將海底的起伏根據(jù)高度差異劃分為多個(gè)平坦的區(qū)域，并逐一對其進(jìn)行建模；將各個(gè)子區(qū)域通過加和運(yùn)算進(jìn)行合并，計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)風(fēng)電場水下噪聲隨距離變化的關(guān)系；取頻域聲音傳播的亥姆霍次方程，當(dāng)采用常微分方程的解法時(shí)簡化為pe方程，并用寬角近軸近似方法展開。

20、進(jìn)一步地，步驟s6，通過切比雪夫多項(xiàng)式離散拋物方程，具體為：將海面設(shè)置為全反射邊界，均勻半聲學(xué)空間d設(shè)置為完美匹配層，使用以下切比雪夫多項(xiàng)式作為基函數(shù)，通過切比雪夫譜法將每層的深度算子離散化，然后組裝成一個(gè)全局矩陣。

21、進(jìn)一步地，步驟s8，具體為：將第一段平坦海底截至距的離聲壓作為下一段平坦海底的起始聲壓進(jìn)行迭代，對于平面平行波導(dǎo)，將分段仿真結(jié)果合并，得到連續(xù)起伏海底的聲傳播曲線。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

23、本發(fā)明通過對陽江風(fēng)電場單機(jī)容量為5.5mw的風(fēng)機(jī)水下噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，風(fēng)電場水下噪聲的聲傳播規(guī)律總體趨勢與光譜離散廣角拋物方程模型理論模型相吻合；對于更全面地理解海上風(fēng)電場水下噪聲特性及其環(huán)境影響，以及優(yōu)化工程設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理提供了重要依據(jù)。

技術(shù)特征：

1.一種針對非均勻海洋風(fēng)電場噪聲的譜法寬角拋物方程建模方法，其特征在于，對風(fēng)電場噪聲信號處理包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對非均勻海洋風(fēng)電場噪聲的譜法寬角拋物方程建模方法，其特征在于，步驟s1，具體包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對非均勻海洋風(fēng)電場噪聲的譜法寬角拋物方程建模方法，其特征在于，步驟s2，具體包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對非均勻海洋風(fēng)電場噪聲的譜法寬角拋物方程建模方法，其特征在于，步驟s5，具體為：在考慮前向傳播的條件下，將海底的起伏根據(jù)高度差異劃分為多個(gè)平坦的區(qū)域，并逐一對其進(jìn)行建模；將各個(gè)子區(qū)域通過加和運(yùn)算進(jìn)行合并，計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)風(fēng)電場水下噪聲隨距離變化的關(guān)系；取頻域聲音傳播的亥姆霍次方程，當(dāng)采用常微分方程的解法時(shí)簡化為pe方程，并用寬角近軸近似方法展開。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對非均勻海洋風(fēng)電場噪聲的譜法寬角拋物方程建模方法，其特征在于，步驟s6，通過切比雪夫多項(xiàng)式離散拋物方程，具體為：將海面設(shè)置為全反射邊界，均勻半聲學(xué)空間d設(shè)置為完美匹配層，使用以下切比雪夫多項(xiàng)式作為基函數(shù)，通過切比雪夫譜法將每層的深度算子離散化，然后組裝成一個(gè)全局矩陣。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對非均勻海洋風(fēng)電場噪聲的譜法寬角拋物方程建模方法，其特征在于，步驟s8，具體為：將第一段平坦海底截至距的離聲壓作為下一段平坦海底的起始聲壓進(jìn)行迭代，對于平面平行波導(dǎo)，將分段仿真結(jié)果合并，得到連續(xù)起伏海底的聲傳播曲線。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于聲傳播技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種針對非均勻海洋風(fēng)電場噪聲的譜法寬角拋物方程建模方法。該方法通過切比雪夫譜法將每層的深度算子離散化，將起伏海底切分為多個(gè)平坦區(qū)域，進(jìn)行迭代求解。通過對陽江風(fēng)電場單機(jī)容量為5.5Mw的風(fēng)機(jī)水下噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明，風(fēng)電場水下噪聲的聲傳播規(guī)律總體趨勢與光譜離散廣角拋物方程模型理論模型相吻合。本發(fā)明的數(shù)據(jù)和結(jié)果為海上風(fēng)電工程的環(huán)境影響評價(jià)提供了技術(shù)參考，對于更全面地理解海上風(fēng)電場水下噪聲特性及其環(huán)境影響，以及優(yōu)化工程設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理提供了重要依據(jù)。本方法對于理解和評估風(fēng)電場對水下聲學(xué)環(huán)境的影響具有重要意義，對水下噪聲的準(zhǔn)確建模和評估將對環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展起到積極作用。

技術(shù)研發(fā)人員：張培珍,霍欣澤,王睿,孔德峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣東海洋大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10