聚束声场处理方法、装置和电子设备

摘要

本申请提供一种聚束声场处理方法、装置和电子设备，方法包括：获取聚束机构的几何数据和声源产生的声场数据；根据聚束机构的几何数据和声波的传播特性信息，对声场数据的传播路径进行划分；根据传播路径的划分结果，计算声场数据的声场分布信息，生成非线性声场模型。

权利要求

1.一种聚束声场处理方法，其特征在于，包括：获取聚束机构的几何数据和声源产生的声场数据；

根据所述聚束机构的几何数据和声波的传播特性信息，对所述声场数据的传播路径进行划分，包括：

获取于所述声源处的反射第一焦点信息、经耦合反射后的反射第二焦点信息；

根据所述反射第一焦点信息和所述反射第二焦点信息，将所述声场数据的传播路径划分为近声源区、聚束区和聚束后区；

根据所述传播路径的划分结果，计算所述声场数据的声场分布信息，生成非线性声场模型，包括：

获取所述声场数据的传播介质参数；

根据所述传播介质参数，解析所述声场数据在所述近声源区的声场分布信息，生成近声源区非线性声场模型；

获取所述声源的反射罩开口端面处的脉冲波参数信息和所述反射罩引起的声程差，并获取所述声场数据的传播介质参数；

根据所述脉冲波参数信息和所述声程差，解析所述反射罩产生的二次声场信息；

根据所述二次声场信息和所述传播介质参数，解析所述声场数据在所述聚束区的声场分布信息，生成聚束区非线性声场模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述传播路径的划分结果，计算所述声场数据的声场分布信息，生成非线性声场模型，包括：获取所述声源的传播介质参数；

根据所述传播介质参数，解析所述声场数据在所述近声源区和所述聚束区的介质分布信息；

根据所述介质分布信息，生成计算区域；

根据所述计算区域，生成声场分布图；

根据所述声场分布图，解析所述声场数据在所述近声源区和所述聚束区的声场分布信息，生成近声源‑聚束区非线性声场模型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述传播路径的划分结果，计算所述声场数据的声场分布信息，生成非线性声场模型，包括：获取所述声场数据的传播介质的声信道特性信息；

根据所述声信道特性信息和温度梯度分布计算模型，生成所述声场数据在所述聚束后区的传播衰减分布信息；

根据所述传播衰减分布信息和所述声场数据在所述聚束区的声场分布信息，解析所述声场数据在所述聚束后区的声场分布信息，生成聚束后区非线性声场模型。

4.一种聚束声场处理装置，其特征在于，包括：数据获取模块，用于获取聚束机构的几何数据和声源产生的声场数据；

区域划分模块，用于根据所述聚束机构的几何数据和声波的传播特性信息，对所述声场数据的传播路径进行划分，包括：获取于所述声源处的反射第一焦点信息、经耦合反射后的反射第二焦点信息；

根据所述反射第一焦点信息和所述反射第二焦点信息，将所述声场数据的传播路径划分为近声源区、聚束区和聚束后区；

数据计算模块，用于根据所述传播路径的划分结果，计算所述声场数据的声场分布信息，生成非线性声场模型；

用于获取所述声场数据的传播介质参数；

根据所述传播介质参数，解析所述声场数据在所述近声源区的声场分布信息，生成近声源区非线性声场模型；

用于获取所述声源的反射罩开口端面处的脉冲波参数信息和所述反射罩引起的声程差，并获取所述声场数据的传播介质参数；

根据所述脉冲波参数信息和所述声程差，解析所述反射罩产生的二次声场信息；

根据所述二次声场信息和所述传播介质参数，解析所述声场数据在所述聚束区的声场分布信息，生成聚束区非线性声场模型。

5.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行如权利要求1‑3任一项所述的方法。

说明书

聚束声场处理方法、装置和电子设备

技术领域

[0001] 本申请涉及水下强声源领域，具体而言，涉及一种聚束声场处理方法、装置和电子设备。

背景技术

[0002] 水下等离子体声源(UPSS，Underwater Plasma Sound Source)作为一种新兴的大功率水下强声源，目前已经在海洋勘探、体外冲击波碎石、管道解堵等领域得到广泛应用，
尤其是在水声对抗、水下超远程保密通信和水下目标快速精准探测等领域具有广阔的应用
前景。UPSS产生的声脉冲波具有弱方向性或不具有方向性，如果不加处理就无法在指定区
域达到预期的强度，并且传播距离有限。目前，对于单一UPSS，采用曲面反射技术实现声脉
冲波定向辐射被认为是解决这一问题的最有效方法。

[0003] 然而，声脉冲波在反射聚束过程中会受到一系列复杂“非线性因素”的影响，因此，UPSS聚束声场的精确建模有助于揭示大功率声脉冲波的聚束和传播规律，丰富定向辐射理
论，同时还能够优化声源，预先补偿非线性造成的损失，改善聚束效果，进一步提高指定区
域的声强度。

[0004] 现阶段针对曲面反射聚束声场建模研究多是基于功率较小的ESWL(Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy，体外冲击碎石术)为背景，存在的问题主要
有：未全面考虑非线性因素和声源参数对声场的影响；常采用理论波形最为初始激励波形，
误差较大；较多研究中将反射罩视为刚性壁面，忽略了反射罩的结构耦合动力学作用。此
外，目前大功率UPSS聚束声场分析仍然以高速摄影法、纹影法、分布式水听器阵法等试验研
究为主，但由于系统装配复杂、遮挡效应、观测视窗较小等因素的影响，使得全方位测量变
得困难，同时试验研究周期长、成本高，因此迫切需要研究UPSS聚束声场的非线性建模方
法。

发明内容

[0005] 本申请实施例的目的在于提供一种聚束声场处理方法、装置和电子设备，用以解决现有技术中存在的问题。

[0006] 第一方面，实施例提供一种聚束声场处理方法，包括：获取聚束机构的几何数据和声源产生的声场数据；根据聚束机构的几何数据和声波的传播特性信息，对声场数据的传
播路径进行划分；根据传播路径的划分结果，计算声场数据的声场分布信息，生成非线性声
场模型。

[0007] 在可选的实施方式中，根据聚束机构的几何数据和声波的传播特性信息，对声场数据的传播路径进行划分，包括：获取于声源处的反射第一焦点信息、经耦合反射后的反射
第二焦点信息；根据反射第一焦点信息和反射第二焦点信息，将声场数据的传播路径划分
为近声源区、聚束区和聚束后区。

[0008] 在可选的实施方式中，根据传播路径的划分结果，计算声场数据的声场分布信息，生成非线性声场模型，包括：获取声场数据的传播介质参数；根据传播介质参数，解析声场
数据在近声源区的声场分布信息，生成近声源区非线性声场模型。

[0009] 在可选的实施方式中，根据传播路径的划分结果，计算声场数据的声场分布信息，生成非线性声场模型，包括：获取声源的反射罩开口端面处的脉冲波参数信息和反射罩引
起的声程差，并获取声场数据的传播介质参数；根据脉冲波参数信息和声程差，解析反射罩
产生的二次声场信息；根据二次声场信息和传播介质参数，解析声场数据在聚束区的声场
分布信息，生成聚束区非线性声场模型。

[0010] 在可选的实施方式中，根据传播路径的划分结果，计算声场数据的声场分布信息，生成非线性声场模型，包括：获取声源的传播介质参数；根据传播介质参数，解析声场数据
在近声源区和聚束区的介质分布信息；根据介质分部信息，生成计算区域；根据计算区域，
生成声场分布图；根据声场分布图，解析声场数据在近声源区和聚束区的声场分布信息，生
成近声源‑聚束区非线性声场模型。

[0011] 在可选的实施方式中，根据传播路径的划分结果，计算声场数据的声场分布信息，生成非线性声场模型，包括：获取声场数据的传播介质的声信道特性信息；根据声信道特性
信息和温度梯度分布计算模型，生成声场数据在聚束后区的传播衰减分布信息；根据传播
衰减分布信息和声场数据在聚束区的声场分布信息，解析声场数据在聚束后区的声场分布
信息，生成聚束后区非线性声场模型。

[0012] 第二方面，实施例提供一种聚束声场处理装置，包括：数据获取模块，用于获取聚束机构的几何数据和声源产生的声场数据；数据处理模块，用于根据聚束机构的几何数据
和声波的传播特性信息，对声场数据的传播路径进行划分；数据计算模块，用于根据传播路
径的划分结果，计算声场数据的声场分布信息，生成非线性声场模型。

[0013] 在可选的实施方式中，区域划分模块用于：获取于声源处的反射第一焦点信息、经耦合反射后的反射第二焦点信息；根据反射第一焦点信息和反射第二焦点信息，将声场数
据的传播路径划分为近声源区、聚束区和聚束后区。

[0014] 在可选的实施方式中，数据计算模块用于：获取声场数据的传播介质参数；根据传播介质参数，解析声场数据在近声源区的声场分布信息，生成近声源区非线性声场模型。

[0015] 在可选的实施方式中，数据计算模块还用于：获取声源的反射罩开口端面处的脉冲波参数信息和反射罩引起的声程差，并获取声场数据的传播介质参数；根据脉冲波参数
信息和声程差，解析反射罩产生的二次声场信息；根据二次声场信息和传播介质参数，解析
声场数据在聚束区的声场分布信息，生成聚束区非线性声场模型。

[0016] 在可选的实施方式中，数据计算模块还用于：获取声源的传播介质参数；根据传播介质参数，解析声场数据在近声源区和聚束区的介质分布信息；根据介质分部信息，生成计
算区域；根据计算区域，生成声场分布图；根据声场分布图，解析声场数据在近声源区和聚
束区的声场分布信息，生成近声源‑聚束区非线性声场模型。

[0017] 在可选的实施方式中，数据计算模块还用于：获取声场数据的传播介质的声信道特性信息；根据声信道特性信息和温度梯度分布计算模型，生成声场数据在聚束后区的传
播衰减分布信息；根据传播衰减分布信息和声场数据在聚束区的声场分布信息，解析声场
数据在聚束后区的声场分布信息，生成聚束后区非线性声场模型。

[0018] 第三方面，实施例提供一种电子设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行如前述实施方式任一项的方法。

附图说明

[0019] 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看
作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他相关的附图。

[0020] 图1为本申请实施例提供的一种电子设备；

[0021] 图2为本申请实施例提供的终端与服务器的交互示意场景；

[0022] 图3为本申请实施例提供的一种聚束声场聚束机构的结构示意图；

[0023] 图4为本申请实施例提供的一种聚束声场处理方法的流程示意图；

[0024] 图5为本申请实施例提供的一种聚束声场区域的划分示意图；

[0025] 图6为本申请实施例提供的另一种聚束声场处理方法的流程示意图；

[0026] 图7为本申请实施例提供的另一种聚束声场处理方法的流程示意图；

[0027] 图8为本申请实施例提供的一种聚束声场处理装置的结构示意图。

[0028] 图标：电子设备1、总线10、处理器11、存储器12、终端200、服务器100、聚束机构300、近声源区501、聚束区502、聚束后区503、聚束声场处理装置800、数据获取模块801、区
域划分模块802、数据计算模块803。

具体实施方式

[0029] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

[0030] 如图1所示，本实施例提供一种电子设备1，包括：至少一个处理器11和存储器12，图1中以一个处理器为例。处理器11和存储器12通过总线10连接，存储器12存储有可被处理
器11执行的指令，指令被处理器11执行。

[0031] 于一实施例中，电子设备1可以是服务器100。服务器100藉由通信网络，于终端200处获取聚束机构300的几何数据和声源产生的声场数据，并根据聚束机构300的几何数据和
声波的传播特性信息，对声场数据的传播路径进行划分，再根据传播路径的划分结果，计算
声场数据的声场分布信息，根据声场分布信息生成描述聚束声场的非线性声场模型。

[0032] 于一实施例中，电子设备1可以是终端200。终端200获取聚束机构300的几何数据和声源产生的声场数据，并根据聚束机构300的几何数据和声波的传播特性信息，对声场数
据的传播路径进行划分，再根据传播路径的划分结果，计算声场数据的声场分布信息，并根
据声场分布信息生成描述聚束声场的非线性声场模型。

[0033] 如图2所示，其为本申请一实施例中服务器100与终端200的交互示意场景，终端200可以是数据采集装置，服务器100可以是数据处理服务器或数据存储服务器。终端200获
取聚束机构300的几何数据和声源产生的声场数据，由于聚束机构300在实际使用过程中其
材料、形状和动力学性能等决定了声脉冲波的反射效率以及指向性等相关辐射能，考虑其
受到的非线性因素在空间域上对声场分析造成的影响，进一步对脉冲波在声场中的传播路
径进行划分，分别对划分后的区域计算声场分布信息，得到最终的非线性声场模型。当使用
的聚束机构或聚束机构所处的水域环境发生改变时，将各参数输入终端200或服务器100，
可以加快模拟生成聚束声场的时间，提高模拟聚束声场的准确性，以此来检测聚束机构300
的聚束效果。

[0034] 于一实施例中，通信网络连接方式可以是无线连接通信方式或有线连接通信方式，无线连接的通信方式可以是使用协议IEEE802.11 a/b/c/n/g/ac进行无线通信(Wi‑Fi，
WirelessFidelity)的无线网络传输方式、使用蓝牙设备或具有蓝牙协议功能的传输设备
进行的无线网络传输方式或射频传输方式、使用全球移动通讯系统(GSM，Global System 
for Mobile Communications)、码分多址(CDMA)、宽带码分多址(WCDMA)、时分同步码分多
址(TD‑SCDMA)、基于正交频分复用(OFDM)等进行通信的移动网络通信技术。

[0035] 有线连接的通信方式可以是使用光纤、网线、电线等具有连通功能的传输线路或具有等同于光纤、网线、电线传输数据信号能力的其他形式以实现通信目的的方式。

[0036] 请参阅图3，其为本实施例提供的一种聚束声场聚束机构300，该机构可用于图1所示的电子设备以实现图2交互场景中，获取聚束机构300的几何数据和声源产生的声场数
据，并根据聚束机构300的几何数据和声波的传播特性信息，对声场数据的传播路径进行划
分，再根据传播路径的划分结果，计算声场数据的声场分布信息的过程。聚束声场聚束机构
300可使用旋转椭球面反射罩或旋转抛物面反射罩作为UPSS定向辐射的反射聚束机构。

[0037] 于一实施例中，聚束机构300为旋转椭球面反射罩，其中a为椭球的长半轴，b为短半轴，c为半焦距，h为椭球反射罩凹深，r为开口半径；F1为反射第一焦点，F2为反射第二焦
点，F1，F2连线为椭球反射罩的声轴。反射罩开口半径为21.5cm，凹面深度为16cm，UPSS的声
源中心为8cm，UPSS采用电弧放电，放电电极采用一体化结构垂直插入反射罩底部开孔处。

[0038] 请参阅图4，其为本实施例提供的一种聚束声场处理方法，该方法可由图1所示的电子设备1来执行，并可以应用于图2所示的交互场景中，以实现获取聚束机构300的几何数
据和声源产生的声场数据，并根据聚束机构300的几何数据和声波的传播特性信息，对声场
数据的传播路径进行划分，再根据传播路径的划分结果，计算声场数据的声场分布信息，得
到非线性声场模型的过程。该方法包括以下步骤：

[0039] 步骤401：获取聚束机构300的几何数据和声源产生的声场数据。

[0040] 在本步骤中，UPSS对于聚束机构300的反射罩的影响因素有很多，由于处理聚束声场时，具有反射罩结构耦合动力学响应、衍射、介质吸收以及声脉冲波畸变等多种非线性因
素，需要对各种非线性因素分段建模、独立处理，使得描述UPSS于聚束机构300反射后生成
的聚束声场更加的精确，更方便的体现聚束机构300的不足。

[0041] 步骤402：根据聚束机构300的几何数据和声波的传播特性信息，对声场数据的传播路径进行划分。

[0042] 在本步骤中，由于声传播过程中受到不同条件的影响，按照非线性效应产生机理的差异性，且不同声场区域非线性因素对声场的影响效果的差异性划分聚束声场区域。

[0043] 步骤403：根据传播路径的划分结果，计算声场数据的声场分布信息，生成非线性声场模型。

[0044] 在本步骤中，根据声场在其传播路径上的划分结果，分别计算声场分布信息，并根据各个划分的区域，分别生成对应的非线性声场模型。

[0045] 于一实施例中，如图5所示，按照曲面反射聚束机构300的几何结构将聚束声场划分为近声源区501、聚束区502和聚束后区503三部分。

[0046] 其中，近声源区501定义为旋转椭球面反射罩的反射第一焦点至声脉冲波传播至反射罩内表面至反射罩开口端面处的区域。

[0047] 聚束区502定义为声脉冲波经反射罩耦合反射形成二次波源，反射罩内表面至椭球面反射罩的反射第二焦点处的反射聚束区502域。

[0048] 聚束后区503定义为声脉冲波聚束后再衰减为小振幅声脉冲波的区域。

[0049] 聚束声场对应于近声源区501、聚束区502、聚束后区503各个部分，非线性效应具有显著区别，所以对不同的区域进行分段建模，以解决聚束机构300的实际应用中，非线性
因素考虑不全、理论激励波形计算误差大、聚束声场描述困难的问题。

[0050] 请参阅图6，其为本实施例提供的一种聚束声场处理方法，该方法可由图1所示的电子设备1来执行，并可以应用于图2所示的交互场景中，以实现获取聚束机构300的几何数
据和声源产生的声场数据，并根据聚束机构300的几何数据和声波的传播特性信息，对声场
数据的传播路径进行划分，再根据传播路径的划分结果，计算声场数据的声场分布信息，得
到非线性声场模型的过程。该方法包括以下步骤：

[0051] 步骤601：获取聚束机构300的几何数据和声源产生的声场数据。详细请参阅上述实施例中对步骤401的描述。

[0052] 步骤602：获取于声源处的反射第一焦点信息、经耦合反射后的反射第二焦点信息。

[0053] 在本步骤中，获取声源处的反射第一焦点信息、经耦合反射后的反射第二焦点信息，用于划分计算区域。

[0054] 步骤603：根据反射第一焦点信息和反射第二焦点信息，将声场数据的传播路径划分为近声源区501、聚束区502和聚束后区503。

[0055] 在本步骤中，根据反射第一焦点信息、经耦合反射后的反射第二焦点信息，将近声源区501定义为旋转椭球面反射罩的反射第一焦点至声脉冲波传播至内表面至反射罩开口
端面处的区域。聚束区502定义为声脉冲波经反射罩耦合反射形成二次波源，反射罩内表面
至椭球面反射罩的反射第二焦点处的反射聚束区502域。聚束后区503定义为声脉冲波聚束
后再衰减为小振幅声脉冲波的区域。

[0056] 步骤604：获取声场数据的传播介质参数。

[0057] 在本步骤中，传播介质可以是流体，传播介质参数可以是雷诺数Re，可用来表征流体流动情况的无量纲数。在近声源区501域，由于声脉冲波幅值很大，非线性作用显著，这时
声脉冲波基本服从球面扩展规律。

[0058] 步骤605：根据传播介质参数，解析声场数据在近声源区501的声场分布信息，生成近声源区非线性声场模型。

[0059] 在本步骤中，UPSS产生的声脉冲波在没有达到反射罩表面时可按照自由声场计算，当声雷诺数Re＞＞1时，非线性效应显著，而吸收衰减因为传播距离很短可以忽略。

[0060] 于一实施例中，近声源区501的传播模型方程可采用KZK方程精确描述，柱坐标系下KZK方程如式(1)所示，KZK方程等式右边三项分别表示衍射项、吸收项和非线性项，在将
近声源区501声场视为自由声场时，可舍去衍射项与吸收项，此时KZK方程可简化为球面扩
展条件下的Burgers方程进行求解，如式(2)所示。

[0061]

[0062]

[0063] 式中p为声压，z轴向坐标为声波传播方向，r为径向坐标，t′＝t‑z/c0是延迟时间，c0为声速， 是热粘性流体中的声耗散率，η″为容变粘滞系数，
η′为切变粘滞系数，κ为热传导系数，cv、cp分别为定容、定压比热容，β是非线性系数
ρ0为液体周围密度。

[0064] 步骤606：获取声源的反射罩开口端面处的脉冲波参数信息和反射罩引起的声程差，并获取声场数据的传播介质参数。

[0065] 在本步骤中，获取反射罩开口端面处的脉冲波参数信息，脉冲波参数信息可以包括脉冲波波形、峰值压力、声脉冲宽度和声脉冲波能量等。

[0066] 于一实施例中，当声脉冲波到达反射罩时，考虑到反射罩的结构耦合动力学响应，即反射罩在高强度声脉冲波冲击作用下处于弹性变形，将声脉冲波到达反射罩反射后的声
波看作是二次波源。

[0067] 于一实施例中，利用声脉冲波压力传感器测量脉冲波参数信息，由于反射罩开口端面上声场分布径向对称，因此测量点可在开口端面与声轴交点处以及开口端面边缘处之
间均匀分布。

[0068] 步骤607：根据脉冲波参数信息和声程差，解析反射罩产生的二次声场信息。

[0069] 在本步骤中，将开口端面与声轴交点处测量得到的声脉冲波参数信息作为输入数据，利用逆向KZK方程求解二次波源的初始声源函数，获取等效脉冲声源脉冲波波形。

[0070] 由于声脉冲波到达反射罩内表面时会因为声程差而产生时延，因此反射罩内表面声场分布不均匀，且具有指向性，声轴中心处声压幅值大，而反射罩边缘端面处声压幅值
小，所以需要在初始声源函数中引入相位差。

[0071] 于一实施例中，相位差是声脉冲波经反射罩反射传播至开口端面处的声程差引起的相位差。

[0072] 于一实施例中，可以利用其它测量点处获取的声脉冲波参数信息对所建立的等效脉冲声源模型进行修正。

[0073] 步骤608：根据二次声场信息和传播介质参数，解析声场数据在聚束区502的声场分布信息，生成聚束区非线性声场模型。

[0074] 在本步骤中，利用等效脉冲声源脉冲波波形作为求解KZK方程的初始激励波形，进而完成对聚束区502声场分布的计算。

[0075] 于一实施例中，对反射罩参数、等效脉冲声源参数进行设置，并设定初始条件和边界条件，在空间轴方向计算第K步衍射项，并将第K步衍射项的计算结果作为第K+1步计算吸
收项的数据输入，再将第K+1步的吸收项计算结果作为第K+2步计算非线性项的数据输入。

[0076] 于一实施例中，KZK方程相邻三项的计算步长即可包含衍射项、吸收项和非线性项，为了保证数值求解的收敛，要求空间轴方向上的计算步长应该足够小，以此保证分享求
解时计算误差不会影响数值结果。由此可以根据设置的边界条件判断空间轴方向是否达到
计算边界，若未达到计算边界则继续计算。

[0077] 聚束区502声场受衍射、吸收、非线性等多种因素的影响，而KZK方程中包含独立的衍射项、吸收项和非线性项，且三项在原理上不会相互影响，只要在传播方向上空间步长足
够小，三项就可以分别处理且不影响数值模拟结果。

[0078] 步骤609：获取声场数据的传播介质的声信道特性信息。

[0079] 在本步骤中，传播介质可以是流体，声道特性信息可以包括环境噪声信息与多径效应信息。

[0080] 在聚束后区503，由于经过反射聚束后产生的声脉冲波在水声信道中传播时会受到扩展损失、吸收损失、边界损失和散射损失等传播损失的影响，声脉冲波波形在传播过程
中会发生波形展宽，波形在时域上会发生混叠，产生严重畸变，多径效应也会使得声脉冲波
的频率信息选择性衰落。

[0081] 步骤610：根据声信道特性信息和温度梯度分布计算模型，生成声场数据在聚束后区503的传播衰减分布信息。

[0082] 在本步骤中，温度梯度分布计算模型用于获取声脉冲波所传播的环境信息，根据获取的环境信息可以结合声信道特性信息获取传播衰减分布信息。传播衰减分布信息用于
表示声脉冲波于当前环境中的传播衰减程度。

[0083] 于一实施例中，针对实际水域建立声脉冲波传播模型时，应首先测量该水域的水声信道特性，包括环境噪声信息与多径效应信息，并根据环境噪声信息利用Bellhop声传播
模型，根据温度梯度分布计算获取声传播衰减分布图，得到实际水域水声信道的衰减系数
和多径时延信息。

[0084] 步骤611：根据传播衰减分布信息和声场数据在聚束区502的声场分布信息，解析声场数据在聚束后区503的声场分布信息，生成聚束后区非线性声场模型。

[0085] 在本步骤中，由传播衰减分布信息和声场分布信息可以得到不同距离的声脉冲波时域波形，结合扩展损失、吸收损失、边界损失和散射损失等因素，得到聚束后区503声脉冲
波在水声信道中的传播衰减模型。

[0086] 于一实施例中，声脉冲波传播衰减模型如下：

[0087] TL＝20lg r+α(f)r+g(r)(dB)(3)

[0088] 式中TL表示声脉冲波传播衰减损失，r表示矢径方向，α(f)为与频率有关的吸收系数，g(r)表示边界反射损失。

[0089] 请参阅图7，其为本实施例提供的一种聚束声场处理方法，该方法可由图1所示的电子设备1来执行，并可以应用于图2所示的交互场景中，以实现获取聚束机构300的几何数
据和声源产生的声场数据，并根据聚束机构300的几何数据和声波的传播特性信息，对声场
数据的传播路径进行划分，再根据传播路径的划分结果，计算声场数据的声场分布信息的
过程。

[0090] 该方法包括以下步骤：

[0091] 步骤701：获取聚束机构300的几何数据和声源产生的声场数据。详细请参阅上述实施例中对步骤401的描述。

[0092] 步骤702：获取于声源处的反射第一焦点信息、经耦合反射后的反射第二焦点信息。详细请参阅上述实施例中对步骤602的描述。

[0093] 步骤703：根据反射第一焦点信息和反射第二焦点信息，将声场数据的传播路径划分为近声源区501、聚束区502和聚束后区503。详细请参阅上述实施例中对步骤603的描述。

[0094] 步骤704：获取声源的传播介质参数。

[0095] 在本步骤中，传播介质可以是水，传播介质参数可以包括用于描述水的状态参数，例如流通量、密度、抗变速度等。

[0096] 步骤705：根据传播介质参数，解析声场数据在近声源区501和聚束区502的介质分布信息。

[0097] 在本步骤中，根据传播介质参数，获取于近声源区501和聚束区502中传播介质的分布信息。

[0098] 于一实施例中，由于采用KZK方程为抛物线近似下的波动方程，所以数值计算结果仅对近声轴区域的声场分布能够精确描述，采用计算流体力学(CFD：Computational Fluid 
Dynamics)方法建立声场模型以获取近声源区501和聚束区502的声脉冲波形成过程和曲面
反射聚束过程。

[0099] 于一实施例中，利用可压非定常守恒方式的Navier‑Stokes方程作为聚束声场的基本控制方程，忽略Navier‑Stokes方程中的粘性效果，就可得到守恒型Euler方程，
Navier‑Stokes方程如下：

[0100]

[0101] 式中， 为守恒变量，也称为解向量， 为流通量， 为源项。

[0102] 对于三维状态下的情况：

[0103]

[0104] 其中ρ为密度，p为声压，u、v分别为x和y方向的粒子速度，E为能量，V为抗变速度，V垂直于表面元dS。

[0105] 由于Navier‑Stokes方程为欠定方程，为了使Navier‑Stokes方程的解具有唯一性，还需要引入水的状态方程构成封闭方程组，水的状态方程如下：

[0106]

[0107] 式中，γ为比热比，γ＝7.15。

[0108] 步骤706：根据介质分部信息，生成计算区域。

[0109] 在本步骤中，为了计算方便，可将计算区域用有限、对称计算区域来模拟。本实施例中的聚束声场为轴对称结构，因此计算区域可取为以声轴为对称中心的四分之一声场来
简化计算，其中，声轴是声转播方向上的椭球面反射罩中心对称轴。

[0110] 于一实施例中，也可取为以声轴为中心的二维轴对称区域。

[0111] 步骤707：根据计算区域，生成声场分布图。

[0112] 在本步骤中，聚束声场的物理计算区域相对简单，可采用单连通域结构网格进行计算，反射罩与水介质之间的耦合采用共节点法处理，对划分的初始网格采用椭圆偏微分
法进行光滑处理，调整网格的密集程度和正交程度，保证计算区域内的网格合理分布，提高
网格的质量以及数值计算方法的精确度。

[0113] 步骤708：根据声场分布图，解析声场数据在近声源区501和聚束区502的声场分布信息，生成近声源‑聚束区非线性声场模型。

[0114] 在本步骤中，根据声场分布图确定离散网格单元，并将离散网格单元作为控制体，构造逼近流动控制方程的近似离散方程，并采用有限体积法对式(3)进行求解。

[0115] 于一实施例中，由于每个网格单元均为有限体积格式，当控制体采用格心法处理时，有限体积格式称为网格中心型控制体。由于流场参数被存储在控制体中心点上，因此，
本实施例采用近似黎曼解为基础的通量差分格式计算流过控制体边界的流通量。

[0116] 于一实施例中，在采用通量差分格式时，为了防止声脉冲波附近解的过冲或过膨胀，需要使用限制器。为了防止出现非物理解，通量差分格式还必须引入熵修正。

[0117] 于一实施例中，在计算区域外围设置1或2层虚拟控制体，虚拟控制体的值可根据边界条件给定。本实施例所述的二维轴对称区域，其中声轴设置为对称边界，其它水域边界
设为吸收边界，反射罩与水介质之间声固耦合边界。

[0118] 于一实施例中，利用具有TVD(Terminal Velocity Dive，极限速度俯冲)性质的多步龙格－库塔(Runge‑Kutta)方法对计算声场的时间进行离散，可使用时间二阶精度或三
阶精度的TVD型Runge‑Kutta方法。

[0119] 于一实施例中，利用加权基本无振荡(WENO，Weighted Essentially Non‑oscillatory)格式进行改进，实现对称WENO格式重构，利用优化后的对称WENO格式对控制
方程式(3)进行计算。

[0120] 步骤709：获取声场数据的传播介质的声信道特性信息。详细请参阅上述实施例中对步骤609的描述。

[0121] 步骤710：根据声信道特性信息和温度梯度分布计算模型，生成声场数据在聚束后区503的传播衰减分布信息。详细请参阅上述实施例中对步骤610的描述。

[0122] 步骤711：根据传播衰减分布信息和声场数据在聚束区502的声场分布信息，解析声场数据在聚束后区503的声场分布信息，生成聚束后区非线性声场模型。

[0123] 在本步骤中，利用步骤708中得到的于声轴方向焦点处聚束波的波形，在其波形上叠加环境噪声，结合传播衰减信息和多径时延信息，利用Thorp经验公式计算得到不同距离
的声脉冲波时域波形。解析声场数据在聚束后区503的声场分布信息详细请参阅上述实施
例中对步骤611的描述。

[0124] 请参阅图8，其为本实施例提供的一种聚束声场处理装置800，该装置800可应用于图1所示的电子设备1，并可以应用于图2所示的交互场景中，以实现获取聚束机构300的几
何数据和声源产生的声场数据，并根据聚束机构300的几何数据和声波的传播特性信息，对
声场数据的传播路径进行划分，再根据传播路径的划分结果，计算声场数据的声场分布信
息，生成非线性声场模型。该装置800包括：数据获取模块801、区域划分模块802、数据计算
模块803。各模块具体原理关系如下：

[0125] 数据获取模块801，用于获取聚束机构300的几何数据和声源产生的声场数据。区域划分模块802，用于根据聚束机构300的几何数据和声波的传播特性信息，对声场数据的
传播路径进行划分。数据计算模块803，用于根据传播路径的划分结果，计算声场数据的声
场分布信息。

[0126] 于一实施例中，区域划分模块802用于：获取于声源处的反射第一焦点信息、经耦合反射后的反射第二焦点信息。根据反射第一焦点信息和反射第二焦点信息，将声场数据
的传播路径划分为近声源区501、聚束区502和聚束后区503。

[0127] 于一实施例中，数据计算模块803用于：获取声场数据的传播介质参数；根据传播介质参数，解析声场数据在近声源区501的声场分布信息，生成近声源区非线性声场模型。

[0128] 于一实施例中，数据计算模块803还用于：获取声源的反射罩开口端面处的脉冲波参数信息和反射罩引起的声程差，并获取声场数据的传播介质参数。根据脉冲波参数信息
和声程差，解析反射罩产生的二次声场信息。根据二次声场信息和传播介质参数，解析声场
数据在聚束区502的声场分布信息，生成聚束区非线性声场模型。

[0129] 于一实施例中，数据计算模块803还用于：获取声源的传播介质参数。根据传播介质参数，解析声场数据在近声源区501和聚束区502的介质分布信息。根据介质分部信息，生
成计算区域；根据计算区域，生成声场分布图。根据声场分布图，解析声场数据在近声源区
501和聚束区502的声场分布信息，生成近声源‑聚束区非线性声场模型。

[0130] 于一实施例中，数据计算模块803还用于：获取声场数据的传播介质的声信道特性信息。根据声信道特性信息和温度梯度分布计算模型，生成声场数据在聚束后区503的传播
衰减分布信息。根据传播衰减分布信息和声场数据在聚束区502的声场分布信息，解析声场
数据在聚束后区503的声场分布信息，生成聚束后区非线性声场模型。

[0131] 详细请参阅上述实施例中各模块对应方法部分的描述。

[0132] 采用本实施例提供的技术方案，具有如下显著效果：

[0133] (1)综合考虑了反射罩结构耦合动力学响应、衍射、介质吸收以及声脉冲波畸变等多种非线性因素，利用各种非线性因素的独立性采用分段建模思想，大功率UPSS聚束声场
描述更加的精确。

[0134] (2)采用实测数据建立等效脉冲声源模型，有效地减小了传统方法中采用固定理论波形引入的误差，为解决声场初始化问题提供了新思路。

[0135] (3)有助于进一步丰富UPSS定向辐射理论，为UPSS应用研究提供新的技术支撑。

[0136] (4)本实施例提供的处理方法思路清晰，声场模型分段描述准确，易于实现。

[0137] 在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻
辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可
以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间
的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连
接，可以是电性，机械或其它的形式。

[0138] 另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多
个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的
目的。

[0139] 再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

[0140] 需要说明的是，功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质
上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现
出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备
(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或
部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read‑Only Memory，ROM)随
机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介
质。

[0141] 在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际
的关系或者顺序。

[0142] 以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的
任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。