文档介绍：COMSOL Multiphysics有限元方法模拟次声波传播
对一组自然或人为产生的声源进行远距离监控,引起了军队和其他政府机构的关注。其中一种技术是利用次声波,或者说次声频的声波,这是因为它的声源强度在传播成千上万公里的距离后,没有损失信号特征。接下来的讨论着重分析模拟次声波传播的可行性方法。
,不能被人们听到,但是能被专业的亚声频的麦克风探测到,其原理是能够感受到振动压力场激发的可录电子脉冲。传统的次声波监测着眼于声源和接收器距离超过250公里,不过最近的次声监测研究集中于距离靠近150公里,缩短了远程声波和真实的次声监测间的关系。
历史上,抛物型方程(PE)方法已经被发展成在一个分层的大气条件下远程(> 500 km)次声传播的数值求解方法。由于其简单的数值实现和有限的计算资源,这种技术可以有效地处理远程传播问题。PE技术与观测数据中频率——波数相类似,预测在到达时间以及观测振幅衰减时,捕获能量和球形波前现象如何进行相互作用。PE方法通过假定能量沿着预设方向上锥形范围内传播来近似波方程。这种近似方法在远程传播中有一定的合理性。然而,对于短程传播(< 50 km),PE方法使用的数学公式失效,不能提供实际测量和预测所需要的足够精度。

为创造高保真耦合复杂声源函数的传播模型,作者将AltaSim科技的Dr. Kyle Koppenhoefer和Dr. Jeffrey Crompton的工作结合起来,提升基于声学的有限元方法(FEM),SOL Multiphysics来实现的这种耦合,无需PE方法的近似条件,准确地表达出声波的传播。这些结果可以用来提高PE法不适用的短距离传播的精度。不过,FEM方法需要较大的计算资源(即,内存和CPU时间)来求解远程传播的问题,这样增大了得到准确结果的难度。因此,FEM和PE法可以实现在分层大气条件下次声传播的互补:短程范围内,FEM解提供足够精度;远程范围时,使用FE法来准确模拟。SOL Multiphysics的FEM声学模块的使用性,我们展示两个案例来评估FEM和PE法。
图2. 哥伦比亚号航天飞机起飞过程。照片由NASA提供。
次声传播
次声传播依赖于其通过大气层的有效声速(Ceff),因此尽可能正确地描述随时间和传播路径位置变化的大气条件是很重要的。传播路径由有效声速剖面决定:Ceff = Ct + n•v,其中Ct ~ (T)1/2,T是开氏温度,n•v是传播方向上的风速分量。在计算有效声速时,温度是决定性的因素;风速和方向仅是次要因素。为了在地表观测到上升的次声能量,它必须达到比声源更高的能量区域。如果发生这种情况,能量反转,然后返回地球表面。图1显示了在示踪大气区域样本的等效声速截面。
怎样量化为数据分析和模拟大气,取决于次声传播通过的特殊区域。对于源——接收器距离小于200km,当地的气象条件对于准确描述传播媒介是很重要的。地面测量对于准确描述整个次声传播的大气截面高度是不够的。使用无线电探空仪,气象气球或等效测量来对于温度和风速剖面测定,得到模拟需要的Ceff是很有必要的。
对于源和接收器距离大于200km,信号可能会通过高变能量路径来传输,基本上是通过大气层的上层区域,热电离层,