Time-harmonic computation of the far-field directivity pattern of an underwater transducer using near-field impulsive response data

Abstract

[Abstract]: The reliability of any numerical simulation of underwater acoustic systems in marine environments requires an accurate characterization of the active transducer, which generates the acoustic field used to monitor the surrounded media. The vibrational description can be quickly done experimentally using in-house laboratory equipment where its acoustic response can be obtained from near-field impulsive measurements. However, a straightforward extrapolation of those near-field data to predict the transducer behaviour in realistic marine environments is not entirely possible since its far-field performance is not available. The present work proposes an inverse numerical methodology based on an integral representation of the pressure field. Following the classical Brekhovskikh integral methods [1], the far-field values of the acoustic pressure are determined by the so-called directivity pattern, computed by solving a regularized least-square inverse problem where the near-field data is used as the target. Since the available experimental data is limited, a low-order polynomial discretization has been utilized to discretize the directivity pattern and avoid oversampling issues. The proposed methodology has been validated in different analytical scenarios with closed-form solutions such as spherical sources and end-fire arrays. Its accuracy is illustrated by analyzing in detail the numerical quadrature techniques and the error distribution at far-field locations[Resumen]: La fiabilidad de cualquier simulación numérica en el ámbito de la acústica submarina para entornos marinos requiere una caracterización precisa del transductor activo que monitoriza el medio. Su descripción vibratoria puede obtenerse inmediatamente utilizando equipo de laboratorio para medir experimentalmente su respuesta impulsiva en campo cercano. Sin embargo, no es posible extrapolar esta respuesta para predecir el comportamiento del transductor en un entorno marino real, ya que no se conoce su respuesta en campo lejano. Este trabajo propone una metodología numéric basada en una representación integral del campo de presiones. Siguiendo los métodos de integración clásicos (véase Brekhovskikh [1]), los valores del campo lejano acústico vienen determinados por el patrón de directividad, calculado mediante la resolución por mínimos cuadrados de un problema inverso basado en datos de campo cercano. Debido a que este conjunto de datos experientales es limitado, se ha utilizado una discretización basada en polinomios de bajo orden para el patrón de directividad, con el fin de evitar problemas de sobremuestreo. La metodología propuesta ha sido validada en diferentes escenarios analíticos con soluciones conocidas, como monopolos o end-fire arrays