次声传播有限元分析

通常被归类为0.05和20 Hz之间的声音，不能被人类听到Infrasound，而是可以在专用的子可听麦克风上检测，这对产生可记录的电子脉冲的振动压力场的原理操作。经典的基础监控侧重于大于250公里的源代码距离，其中更新的基础监测研究专注于距离150公里的距离，桥接远程声学和真正的基础监测之间的距离。

哥伦比亚航天飞机在起飞。
(图片由美国宇航局提供)

传统上，采用抛物方程(PE)方法求解层状大气中长距离(>500 km)次声传播的数值解。由于其简单的数值实现和有限的计算资源的使用，该技术可以强大的长距离传播。PE技术类似于观测数据中的频率波数研究，预测捕获能量和球面波前现象不仅在到达时间上相互作用，而且在观测振幅的衰减上相互作用。PE方法通过模拟沿优选方向的锥体能量传播来近似波动方程。这种近似在较长的传播距离上提供了合理的精度。然而，对于短距离传播(<50公里)，PE方法中使用的数学公式会失效，不能提供精确测量和预测所需的足够精度。

大气层的结构

一种理想化的大气结构，具有对流层线性趋势。

为了产生高保真传播建模，耦合到复杂的源功能，作者与凯尔·科普霍夫博士和Altasim Technologies博士博士合作开发了基于元素方法（FEM）的声学解决方案，例如COMSOL Multiphysics软件中实现的那些。，为了准确表示声波的传播，没有PE方法中的近似。这些解决方案可用于为PE方法不太适合的短距离传播声波提供准确的解决方案。但是，有限元方法需要大的计算资源（如内存和CPU时间）来解决长距离传播问题，使得精确解决方案困难。因此，有限元和PE方法彼此相互补充，以解决层状大气中的基础繁殖的问题;百分比解决方案在短程和基于PE的解决方案中提供精确度，准确地模拟大距离的行为。为了验证COMSOL的FEM声学代码，我们在评估PE和FEM方法的两种情况下。

基础传播
次声传播取决于有效声速(C_eff)，因此有必要适当地描述大气条件，尽可能接近传播途径的时间和地点。传播路径由有效声速剖面控制，计算公式为:C_eff= C._t+n•v,其中Ct˜20.07 (T)^½， T为绝对温度，单位为开尔文，n•v为风速在传播方向上的分量。在计算有效声速时，温度是主要因素;风速和风向只是次要因素。为了在地球表面观测到上行的次声能量，它必须达到比在起始点更高的声速区域。如果发生这种情况，能量就会转回地球表面。

如何对大气进行量化以进行数据分析和建模取决于次声波传播所经过的大气的特定区域。对于200公里以内的源-接收者路径，当地气象信息是准确描述传播介质的必要条件。地面测量不足以适当地描述次声波传播所通过的大气廓线的整个高度。有必要使用无线电探空仪、气象气球或等效测量温度和风廓线来产生C_eff用于建模。

能量漂流途径通过较低
大气以2Hz进行区域传播

对于从源到接收器超过200公里的距离，信号可能通过高度可变的能量途径传播，主要通过高层大气，热层，并通过一个在几个月的时间跨度内变化不大的介质传播很远的距离。这些能量来源要么是巨大的(比如1883年喀拉喀托火山爆发时的能量，在世界范围内回响了8次才消失)，要么是地震造成的巨大垂直地震位移，要么是发生在高层大气中，比如陨石。

对流层结构有时受快速移动的天气系统控制，比对流层顶上方的大气变化大得多。短暂的温度逆温会产生短暂的管道，其声速比在地面上发现的要高。能够在时间和空间上准确地量化这些管道，对于利用次声进行远程监测至关重要，方法是开发计算方法，以有效地管理温度和风随海拔高度的不连续和快速变化。

远程脱股波传播
Worldwide InfraSound阵列观察可变距离的各种来源。地震，火山，采矿爆炸和人造的大气爆炸是在基础阵列上观察到的一些最常见的信号，但博博（流星）和梭式返回速度也被记录在很长的传播距离，数百到数千公里处。

来自超音速大气源的观测，例如航天飞机再入，已经在初次安装时的次声阵列上记录下来，并且多年来一直受到密切的研究。早在1971年，阿波罗号航天飞船就观测到了次声信号，记录至今仍在继续。

短持续时间本地事件与长持续时间、长传播路径事件的比较。

近区域和远距离(远次声)传播路径之间的可变信号特征

2003年2月1日哥伦比亚号航天飞机再入失败的事件提供了第一个在四维空间和时间中已知位置的高度爆炸的案例，以及典型的大气pro?此外，在距德克萨斯州拉吉塔斯约600公里的次声阵列上也有记录。NASA记录了航天飞机的三维路径，导致解体的事件发生的时间是已知的;轨迹和定时可以结合一个很好的特征大气pro?以产生一个图形表示声能通过大气的路径。

最初从水声研究，PE模型提供了一个完整的垂直平面在一个频率?场解决方案。在这项工作中，比较了次声监测社区标准PE代码，它从源向前一步，计算衰减场，以预测沿垂直切片的振幅。在使用PE代码时，计算大气必须足够深，以包括所有可行的能量路径。PE建模所需的场深是FEM的高精度优势失效的地方。

一个大气专家的有限元解决方案?在一台16gb四核MacPro上运行0.25 Hz，耗时5天，但只传播到200公里，而不是全程600公里。考虑到频率含量从1 Hz到0.25 Hz的变化和相关波长的变化，在有限元模型中执行的距离的结果关联良好。虽然准确，但在这些距离上生成PE代码等效解所需的计算资源表明，PE解将更加有效。

短程基础扩展
在较短的范围内，COMSOL有限元方法的优势是明显的。最近，次声在小于100公里的近程传播已成为人们更大的兴趣。在长距离，如哥伦比亚传播路径，在传播能量中发现的?ne尺度的源结构在观测信号中被涂抹。在较短的距离(30 - 100公里)，保持源特性变得更重要，因为在观测信号中有更少的模糊。

COMSOL通过求解声波传播的局部微分方程，提供准确的解决方案，而无需PE方法中使用的近似。因此，源的完整特征将包括在解决方案中。建模源作为点爆炸或结构发射的多样化，软件支持在同一模型中集成源和传播函数。这种灵活性使得较许多条件的基础造型能够实现难以解决的许多条件。因此，该软件提供超出FEM解决方案中的额外精度的优点。它开辟了对更广泛的来源进行了促进的研究，同时允许在近场中的基础上的研究。

该技术还提供了开发瞬态和时间谐波解决方案的能力。瞬态解决方案大多数ACCU-raty代表短持续时间来源，例如点源爆炸。使用COMSOL的声学模块生产2 Hz信号超过30公里的传播。通过大气层的声速变化强烈影响该信号的传播。当大气条件有利时，声能量折射到地球表面。在大约2km的管道捕捉到产生有利的可能性所需的AC-STIC能量，以便从源头到接收器观察不同的兴趣。

虽然未来优化边界条件和网格尺寸以最小化运行时间和计算资源的研究仍在进行中，但COMSOL的声学模块为远程声学和近区域次声监测社区提供了一个有效的工具，以产生精确的、用于集成复杂源的高分辨率传播建模。

COMSOL
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