基于参数修正的水中目标声学参数数值模拟.pdf

现代电子技术Modern Electronics TechniqueDec.2023Vol.46 No.242023年12月15日第46卷第24期0 引 言水中目标声学参数数值模拟主要通过模拟声传播路径中的声压、声速、衰减等因素，以及其他环境因素如海底地形、海洋生物等，实现对水中目标声学特性的模拟1。通过模拟和分析水中目标声学参数，可以更好地理解声波与水下目标间的相互作用过程，进而有效识别、定位和跟踪水下目标2。水下目标声学参数数值模DOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.24.023引用格式：林敏.基于参数修正的水中目标声学参数数值模拟J.现代电子技术，2023，46（24）：131134.基于参数修正的水中目标声学参数数值模拟林 敏（闽南科技学院 计算机信息学院，福建 泉州 362000）摘 要：水中声波传播速度较快且衰减较慢，声波传播路径会受到水体的折射和反射影响，导致水中目标声学的频率响应和衰减特性存在较大差异。为提升传统水中目标声学参数数值模拟方法的综合性能，提出一种基于参数修正的水中目标声学参数数值模拟方法。在频率和临界频带转换的基础上，计算水中目标声学特性响度值；根据频谱响应对总响应度加权积分结果，利用K均值聚类方法修正水中目标声学特征参数。采用拉氏算法建立矩阵方程，将含有阻尼的弹性结构振动方程进行离散化处理，提高数值模拟计算算力。利用有限元构建前置处理模块、有限元分析计算模块、后置处理模块，完成水中目标声学参数的数值模拟。仿真实验结果表明，与传统方法相比，所提方法的数值模拟精度较高，模拟效果更好，具有较强的实用性。关键词：水中目标声学参数；参数修正；数值模拟；频谱响应；K均值聚类；离散化处理；相位噪声对比中图分类号：TN911.634 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）24013104Underwater target acoustic parameters numerical simulation based on parameter correctionLIN Min(School of Computer Information,Minnan Science and Technology University,Quanzhou 362000,China)Abstract：Due to the fast propagation speed and low attenuation of sound waves in water,the propagation path of sound waves will be affected by refraction and reflection of water,resulting in great differences in frequency response and attenuation characteristics of underwater targets.In order to improve the comprehensive performance of traditional numerical simulation methods of acoustic parameters of underwater targets,an underwater target acoustic parameter numerical simulation method based on parameter correction is proposed.On the basis of frequency and critical frequency band conversion,the loudness value of acoustic characteristics of underwater targets is calculated.According to the weighted integral result of spectral response to total responsivity,the acoustic characteristic parameters of underwater targets are corrected by means of K means clustering method.The matrix equation is established by means of the Laplacian algorithm,and the vibration equation of elastic structure with damping is discretized to improve the computational power of numerical simulation.The finite element is used to construct the preprocessing module,finite element analysis and calculation module and postprocessing module to complete the numerical simulation of acoustic parameters of underwater targets.The simulation experimental results show that in comparison with the traditional method,the proposed method has high numerical simulation accuracy,better simulation effect,and strong practicality.Keywords：acoustic parameters of underwater targets;parameter correction;numerical simulation;spectral response;Kmeans clustering;discretization processing;phase noise comparison 收稿日期：20230712 修回日期：20230818基金项目：福建省教育厅中青年教师科研课题：基于大数据的协调过滤推荐算法在智慧图书馆中的应用（JAT160675）；福建省教育厅中青年教师科研课题：基于交互式的校史馆智能多媒体对话平台的应用研究（JAT191046）131131现代电子技术2023年第46卷拟在海洋勘探3、水下通信4、海洋生态环境监测5等领域具有广泛应用。岳成海等基于Darknet框架设计轻量化深度学习目标识别模型，计算侧扫声呐数据，增强声呐图像纹理特征和边缘特征，完成自主水下潜器的目标探测识别与定位6。但是，该方法在复杂海底环境下的水下目标识别准确度有待进一步提高。孙凯等提出一种多普勒频移和干涉谱联合的水声目标运动参数估计方法，根据单条线谱多普勒频移建立最近距离与速度参数耦合曲线，计算参数比值线相交值，确定水声目标运动参数7。但是该方法计算算力较差，在目标参数计算过程中容易产生相位噪声。基于此，本文提出一种基于参数修正的水中目标声学参数数值模拟方法。计算水中目标声学特性响度值，通过 K均值聚类方法对频谱响应对总响应度参数进行修正，在离散化处理含有阻尼的弹性结构振动方程的基础上，完成水中目标声学参数数值模拟。1 方 法1.1 修正水中目标声学特征参数通过客观评价方法对水中不同目标声学特征进行分析识别。通过以下公式进行频率以及临界频带之间的相关转换：z=13 arctan()0.000 76f+3.5 arctan ()f 7 5002（1）式中f表示临界中心频带。水中不同目标声学中心频率的变化会导致临界频带带宽的变化，变化规律为：fG=25+75 N+1.4()f 1 00020.69 （2）式中 N表示特性响度值。特性响度值是衡量声音强度在不同频率下对人类听觉的感知程度的一种指标。在水中，声波传播的速度和方式与空气中有所不同，因此会对声音的特征参数产生影响。特性响度值可以区分水中目标的声源，其表达式为：N=0.08()ETQE （3）式中：ETQ表示安静状态下的声音激励值；E表示声音激励值。根据获得的特性响度值，在设定的范围获取对应积分的总响度：NG=fG024Rdz （4）式中R表示解析信号。通常情况下，选取频谱响应对总响应度加权积分的方式进行计算：S=024NGdz （5）式中表示声音谐波。采用 K均值聚类方法89，针对频谱响应对总响应度进行修正，公式如下：S=Si=1Hi()x-y2 （6）式中：H表示声波的强度；i表示特征参数分类计算系数；x-y表示测试特征的分量距离。1.2 离散化水中目标声学参数如果设定水体为理想水质，则声学波动拉式算法方程表示为：2p=Sc22pt2 （7）式中：p表示声波的传播速度；t表示声波在介质中的传播时间；c表示声波的振动幅度。通过对应方程在结构面上的质点，获取以下持续条件：pn=-f2unst2-f2vnst2（8）在考虑阻尼材料的情况下，引入相关约束条件建立矩阵方程：MsP+CfP+KfP+fRU=0 （9）式中Cf代表声阻尼矩阵10。真空中含有阻尼的弹性结构振动方程表示为：MsU+CsP+KsP=Fs+Ff （10）联立式（8）和式（9），得到的矩阵方程为：Ms 0pf Mf UP+Cs 00 Cf UP+Ks-RT0 Kf=Fs0（11）采用离散化矩阵方程11计算含有阻尼的弹性结构振动离散解，公式为：D=()AC-1 PS,N （12）式中：A表示离散时间步长；C表示网格大小；表示网格点间距；PS,N表示频谱边界条件。1.3 基于有限元的水中目标声学参数数值模拟通过有限元求解水中目标声学参数时，需要在流体以及结构的接触表面区域组建流体结构，同时对结构以及流体进行有限元网格的划分，提高水中目标声学参数数值模拟效果。1.3.1 前置处理模块前置处理模块是求解水中目标声学参数的有限元分析中的重要组成部分，负责收集和获取用于建模和模拟的相关数据，包括水中目标的几何形状数据、材料特性、边界条件和加载信息等1213。这些数据经过预处理操作，确保水中目标声学数据的完整性。132第24期在前置处理模块设定水中目标所使用的结构材料的弹性模量、密度等物理特性参数，以及流体介质的密度、声速等声学特性参数。前置处理模块在模拟中确定边界条件和加载条件，包括指定目标结构的支持或约束条件，以及施加在结构上的外部负载或力的类型和分布等。通过收集、预处理和设置数据、参数、条件，为后续的有限元分析计算提供了基本条件，能够确保模拟的可靠性。1.3.2 有限元分析计算模块刚度矩阵描述了单元内部受力关系的刚度特性，对水中目标进行合适的建模和网格划分，确定单元之间的连接关系并生成适当的有限元网格，以确保模型的准确性和计算效率。在有限元分析中，根据选定的有限元单元类型和材料性质计算每个单元的刚度矩阵。通过组合各个单元的刚度矩阵，得到水中目标声学参数数值模拟结构的刚度矩阵。在声学参数的数值模拟中，系统外向力量是指作用在水中目标上的外部力或负载分布，如水压力、液体流动产生的力等。将外向力量在有限元分析计算模块中进行组合，转化为与刚度矩阵相匹配的载荷向量，通过求解矩阵方程的形式获得目标的声学参数模拟结果。1.3.3 后置处理模块后置处理模块主要任务是将计算得到的参数以适当的方式展示，通过分析不同参数的分布情况和位移情况，确定水中目标声学参数数值的具体变化情况，从而达到水中目标声学参数数值模拟的目的。根据计算得到的声学参数数值绘制频谱图、波形图、振动模态图等，采用三维可视化技术将声学参数数值以可视化的方式呈现。通过空间和时间上的可视化展示，帮助相关工作人员更全面地了解水中目标声学参数的分布情况和变化趋势，获取水中不同位置的声学参数特性，以达到水中目标声学参数数值模拟的目的。后置处理模块有助于验证数值模拟的准确性，可以指导水中目标声学参数进一步的优化。2 仿真实验与分析2.1 仿真环境利 用 Abaqus 读 取 开 源 数 据 库（Open Data Base,ODB）数据，提高数据共享效果。采用 Python编制数据转换程序，向 Abaqus软件中导入有限元模型。选择自适应壳单元，根据目标表面形状的变化自动调整网格密度的壳单元，提高模拟精度，并在平坦区域使用较少的网格点以节省计算资源。2.2 仿真实验分析2.2.1 相位噪声分析为了验证所提方法的有效性，选择文献6方法和文献7方法作为对比方法，在仿真实验环境下测试三种方法的相位噪声。相位噪声越低，表明数值模拟效果越好。三种数值模拟方法的相位噪声对比结果如图 1所示。图1 不同数值模拟方法的相位噪声对比结果分析图 1可知，当样本数量不断增加，文献6方法和文献7方法的相位噪声呈直线上升趋势，而所提方法的相位噪声则呈下降趋势，验证了所提方法的优越性。这是因为所提方法在计算水中目标声学特性响度值时，对频谱进行了加权积分，更高频率的分量对总响度值的贡献较小，而较低频率的分量对总响度值的贡献较大，通过加权的方式，使相位噪声得到抑制。同时，根据水中目标声学数据的相似性，利用 K均值聚类方法将数据点进行分组，将具有相似特征的数据点聚在一起，减林 敏：基于参数修正的水中目标声学参数数值模拟133现代电子技术2023年第46卷少数据中的异质性和噪声干扰，从而降低相位噪声。2.2.2 相对误差分析相对误差可以帮助识别数值模拟过程中可能存在的系统误差或随机误差来源。通过分析误差的来源和大小可以改进模型、算法，并提高准确性和可靠性。三种数值模拟方法的相对误差对比结果如图2所示。图2 不同数值模拟方法的相对误差对比结果分析图2可知：文献6方法和文献7方法相对误差均随着样本数量的增加呈现上升趋势，当样本数量达到800个时，文献6方法的相对误差为 1.9%，文献7方法的相对误差为 2.4%；而所提方法随着样本数量的增加，相对误差呈现下降趋势，在样本数量为 800个时，相对误差为 0.4%。这是因为所提方法离散化处理了含有阻尼的弹性结构振动方程，将水中目标声学参数数值模拟结构离散为小的有限元单元，准确地描述结构的各个部分，进而降低了数值模拟的相对误差。综上所述，所提方法能够获取较为准确的数值模拟效果。3 结 语针对传统数值模拟方法存在的效率低、效果不理想的问题，本文提出一种基于参数修正的水中目标声学参数数值模拟方法。仿真实验结果表明，所提方法能够获取精度较高的数值模拟效果，并有效地提高模拟质量。本文的研究方法和结果可为预测水中目标的声学特性提供有力理论支持，为推动工程设计、环境监测以及海洋资源利用等领域的发展起到积极作用。参考文献1 毕雪洁，王彪，马林，等.基于双水听器的浅海水声目标深度分类方法J.江苏科技大学学报（自然科学版），2022，36（6）：18.2 王翰卓，李风华.随机多项式展开多特征向量约束匹配场声源定位算法J.应用声学，2022，41（4）：512519.3 方一涵，胡文凯，于素君.应用抗差估计进行海底勘探实时声学定位的方法J.石油地球物理勘探，2022，57（4）：800805.4 王一达，梁庆卫，张鑫.基于节点连通度的水下通信系统生存性研究J.北京航空航天大学学报，2021，47（2）：366372.5 邹大鹏，吕衡生，阚光明，等.海底表层沉积物声速的环境因素影响特性J.声学学报，2021，46（2）：227236.6 岳成海，王旭，宫俊玲，等.基于深度学习的水下目标声学识别与定位技术研究J.数字海洋与水下攻防，2021，4（6）：492497.7 孙凯，高大治，高德洋，等.多普勒频移和干涉谱联合的水声目标运动参数估计J.声学学报，2023，48（1）：5059.8 宋仁旺，苏小杰，石慧.基于空间分布优选初始聚类中心的改进 K均值聚类算法J.科学技术与工程，2021，21（19）：80948100.9 张倪妮，葛洪伟.稳定的 K多均值聚类算法J.计算机科学与探索，2021，15（5）：941948.10 汪梦甫，肖诗颖.指数型阻尼模型复模态更新及阻尼矩阵识别J.湖南大学学报（自然科学版），2021，48（3）：5564.11 姜雪，崔凯.一类多元 Hermite型插值的离散化问题J.吉林大学学报（理学版），2021，59（5）：11171123.12 周烨，温玮.Comsol有限元软件在大型水下目标声学仿真上的应用J.计算机应用与软件，2020，37（8）：7478.13 胡昊文，王中王，徐延明，等.结构声学耦合随机性分析的等几何有限元边界元法研究J.振动与冲击，2022，41（12）：159167.作者简介：林 敏（1979），女，福建莆田人，硕士，讲师，研究方向为计算机科学、数据挖掘。134