bellhop 模型的水下声场传递函数
1.2 BELLHOP 手册 和 程序日志
BELLHOP- Munk profile frequency = 50.00 Hz
Dummy parameter NMedia = 1
Spline approximation to SSP Attenuation units: dB/mkHz VACUUM
Depth = 5000.00 m
Sound speed profile: z (m) alphaR (m/s) betaR rho (g/cm^3) alphaI betaI
第二步：计算声场并检查输入文件
• 运行BELLHOP的MATLAB命令是：
• bellhop( 'MunkB_ray_2011' )； • 或者 • bellhop 'MunkB_ray_2011'
查看回馈文件 *.prt
BELLHOP/BELLHOP3D
回传输入数据的打印文件MunkB_ray_2011.prt
cLow = 1.0 m/s cHigh = m/s RMax = 1000.000000 km
--------------------------------
Number of source depths = 51
Source depths (m) 0.00 ... 5000.00
Producing source depths by interpolation between sd(1) and sd(2)
C-Linear approximation to SSP Attenuation units: dB/mkHz VACUUM
z (m) alphaR (m/s) betaR rho (g/cm^3) alphaI betaI ( Number of pts = 51 Roughness = 0.00 Depth = 5000.00 ) 0.00 1548.52 0.00 1.00 0.0000 0.0000 200.00 1530.29 0.00 1.00 0.0000 0.0000 250.00 1526.69 0.00 1.00 0.0000 0.0000 400.00 1517.78 0.00 1.00 0.0000 0.0000 600.00 1509.49 0.00 1.00 0.0000 0.0000 800.00 1504.30 0.00 1.00 0.0000 0.0000 1000.00 1501.38 0.00 1.00 0.0000 0.0000 1200.00 1500.14 0.00 1.00 0.0000 0.0000 1400.00 1500.12 0.00 1.00 0.0000 0.0000 1600.00 1501.02 0.00 1.00 0.0000 0.0000 1800.00 1502.57 0.00 1.00 0.0000 0.0000 2000.00 1504.62 0.00 1.00 0.0000 0.0000 2200.00 1507.02 0.00 1.00 0.0000 0.0000 2400.00 1509.69 0.00 1.00 0.0000 0.0000 2600.00 1512.55 0.00 1.00 0.0000 0.0000 2800.00 1515.56 0.00 1.00 0.0000 0.0000 3000.00 1518.67 0.00 1.00 0.0000 0.0000 3200.00 1521.85 0.00 1.00 0.0000 0.0000 3400.00 1525.10 0.00 1.00 0.0000 0.0000 3600.00 1528.38 0.00 1.00 0.0000 0.0000 3800.00 1531.70 0.00 1.00 0.0000 0.0000 4000.00 1535.04 0.00 1.00 0.0000 0.0000 4200.00 1538.39 0.00 1.00 0.0000 0.0000 4400.00 1541.76 0.00 1.00 0.0000 0.0000 4600.00 1545.14 0.00 1.00 0.0000 0.0000 4800.00 1548.52 0.00 1.00 0.0000 0.0000 5000.00 1551.91 0.00 1.00 0.0000 0.0000 Number of pts = 51 ACOUSTO-ELASTIC half-space 5000.00 1600.00 0.00 1.00 0.0000 0.0000
海洋中的声传播理论
3.1 波动方程和定解条件
②柱面波情况 ③球面波情况 ——也称为索末菲尔德（Sommerfeld）条件。
*பைடு நூலகம்
奇性条件
3.1 波动方程和定解条件
对于声源辐射的球面波，在声源处存在奇异点，即 不满足波动方程；如果引入狄拉克函数，它满足非齐次波动方程
*
3.1 波动方程和定解条件
狄拉克函数的定义
*
3.2 波动声学基础
（2）截止频率 简正波临界频率和截止频率： 根据临界频率，可以反演海底介质的声速。 若海底为硬质海底
*
3.2 波动声学基础
某阶简正波声压振幅分布：
传播损失
*
3.3 射线声学基础
射线声学：将声波传播视为一束无数条垂直等相位面的射线传播。
声线：与等相位面垂直的射线。 射线途经的距离代表声波传播的距离； 声线经历的时间代表声波传播的时间； 声线束携带的能量代表声波传播的声能量； 射线声学为波动方程的近似解。
第3章 海洋中的声传播理论
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声场常用分析方法
*
声场常用分析方法
*
3.1 波动方程和定解条件
在理想海水介质中，小振幅波的运动方程、连续性方程和状态方程： 波动方程
*
3.1 波动方程和定解条件
当介质密度是空间坐标的函数时，波动方程的形式和密度均匀介质中波动方程的形式有何不同?
射线声学近似条件和局限性
（2）在声波波长的距离上，声速相对变化远小于1。
——声波声强没有发生太大变化。如在波束边缘、声影区（声线不能到达的区域）和焦散区（声能会聚区域），射线声学不成立。
——声速变化缓慢的介质。如在声速跃变层，射线声学不成立。
水下航行器机械声源至声辐射传递关系建模
水下航行器机械声源至声辐射传递关系建模水下航行器的机械声源产生了辐射声，这些声波会经过水中的介质传播到达接收器。
水下航行器机械声源至声辐射传递关系是指机械声源产生声波经过水下传播至接收器的过程。
在此过程中，机械声源的特性、水下环境的传播特性、接收器的位置和特性等都是影响信号传递的因素。
因此，建立机械声源至声辐射传递模型是了解水下环境、研究水下信号传递和进行水下声信号处理的基础。
机械声源至声辐射传递模型中主要包括三个部分：机械声源模型、水下声传播模型和接收器模型。
机械声源模型描述了机械系统的振动运动和激发位移与速度的关系。
水下声传播模型描述了声波在水下传播的方法。
接收器模型描述了接收器对声波的接收性质和性能。
机械声源模型的建立是信号传递模型的第一步。
航行器的机械部件在工作时会不可避免地产生噪声，因此需要对机械系统的振动运动进行建模。
常用的方法是通过分析结构分析得出机械系统的振动特性，进而确定机械系统激发位移与速度之间的关系。
机械声源模型的建立需要考虑到航行器在水中工作的特殊环境，例如水流对机械系统的影响等因素。
水下声传播模型包括水下环境和声波传播规律。
水下环境包括水的密度、水的温度和盐度等因素，这些因素会影响声波在水中的传播速度和传播特性。
声波传播规律一般使用波动方程式进行描述，波动方程式可以用来计算声波的传播距离、传播时间、声波的幅度、相位等。
接收器模型包括接收器类型、形状和布置情况等因素。
不同类型的接收器对声波的频率响应、灵敏度、噪声等有所不同。
接收器模型的建立需要结合接收器的实际应用场景进行优化设计。
水下航行器机械声源至声辐射传递关系建模是水下声信号传递研究中的重要方法之一。
通过建立声传递模型，可以准确地描述机械声源产生的声波在水中的传播规律和各种传播参数。
这对于水下声信号的识别、定位和抑制等方面具有重要意义。
未来，对于水下航行器机械声源至声辐射传递关系建模的研究将更加精细和反应实际应用需要。
_浅海水声多途信道建模与仿真
摘 要: 在进行水声信号恢复和增强、目标探测、跟踪、定位、水声通信等技术的研究过程中, 对海洋信道 的仿
真研究是进行这些水声信号处理 仿真的基础。简要分析了水声信道的传 播特性, 主要针对 水声信道 强烈的多径 效应
这一特点, 研究了浅海水声多途信道的物理模型, 并通过 BELLHOP 射线传播模型实现了声 场环境模 拟以及水声 信道
充分的研究。
1 浅海水声信道特点
由于各种自然条件、地理条件等因素的影响, 水 声信道非常复杂。可以说海洋信道是一个环境噪声 高、信道带宽窄、传播损失大、多途效应严重的时变、 空变的随机信道。 111 海洋环境噪声
海洋环境 噪声 [ 1] 主要 来源于海洋动力 噪声、生 物噪声、交通噪声和工业噪声、地震噪声、冰下噪声,
水声信道带宽 [ 2] 受限的主要原因是海洋中水声 信号的吸收损失。它与水声信号频率密切相关, 信号 频率越高吸 收损失越 大。研究 表明, 声波频率 在 4 kH z左右是远距离传播的最佳频率。此外, 水声换能 器带宽的限制也是原因之一。 113 传播损失
声波在海洋介质中的传播损失 [ 2 ] , 主要有 3个方 面: 扩展损耗 ) ) ) 由于波阵面在传播中的不断扩大, 使得单位时间内单位面积上能量减少; 吸收损耗 ) ) ) 声能在传播过程中不可逆的转换为热能而消耗; 边界 损耗) )) 声波在海洋边界的反射使声能发生 / 泄 漏 0。浅海区域由于泥沙、污物的影响, 水质浑浊, 使 得声散射强度较强, 声信号也易被吸收, 因而传播损 失更为严重。 114 多径效应
建模。通过比较不同深度声源的 声场分布, 以及不同收发条件下的 水声信道 冲激响应, 验证了 水声信道 的多径效应、
稀疏性、传播损失、时变空变以及 随机性等特性。
海洋声场模型概述
海洋声场模型概述海洋声场模型是研究海洋中声波传播规律的数学模型。
海洋声场模型的研究对于海洋环境监测、海洋资源勘探以及军事防御等领域具有重要意义。
本文将概述海洋声场模型的基本原理和应用。
海洋声场模型的基本原理是基于声学波动方程和海洋介质的声学特性。
声学波动方程描述了声波在介质中的传播行为，而海洋介质的声学特性则包括声速、吸声系数和散射系数等参数。
通过建立合适的边界条件和初始条件，可以求解声学波动方程，得到声波在海洋中的传播路径和传播特性。
海洋声场模型的建立需要考虑多个因素，如海洋底床的形状、海洋中的障碍物、海洋中的声源等。
底床的形状对声波的传播路径和传播速度有很大影响，不同形状的底床会导致声波的反射、折射和散射等现象。
障碍物如海山、海岛和海洋生物等也会对声波的传播产生影响，它们会散射和吸收声波，改变声波的能量和传播方向。
海洋中的声源如海洋动物和人类活动也是海洋声场模型的重要组成部分，它们产生的声波会在海洋中传播并与其他声波相互作用。
海洋声场模型的应用非常广泛。
在海洋环境监测方面，海洋声场模型可以用于监测海洋中的声源活动和海洋底床的变化。
例如，通过监测海洋中的声源活动，可以判断海洋中是否存在潜在的地震活动或火山喷发等自然灾害。
通过监测海洋底床的变化，可以预测海洋中的沉积物运动和海底地形的演化。
在海洋资源勘探方面，海洋声场模型可以用于定位海底油气资源和矿产资源。
通过分析海洋中的声波传播路径和传播特性，可以确定资源的位置和分布情况。
在军事防御方面，海洋声场模型可以用于监测敌方潜艇的活动和判断敌方声纳系统的性能。
通过分析海洋中的声波传播路径和传播特性，可以预测潜艇的位置和行动轨迹，提前采取相应的防御措施。
海洋声场模型是研究海洋中声波传播规律的重要工具。
通过建立合适的数学模型，可以模拟和预测海洋中的声波传播路径和传播特性。
海洋声场模型的研究对于海洋环境监测、海洋资源勘探和军事防御等领域具有重要意义。
希望本文的概述能够为读者对海洋声场模型的理解和应用提供一定的帮助。
水声学-海洋中的声传播理论2
2
均为实数时， 当 Z n 和 ζ n 均为实数时，上式等于 N 2π 2 2 TL = −10 lg ∑ Z n (z0 )Z n ( z ) + ζ r n =1 n
n≠ m
∑r
N
4π
ζ nζ m
Z n (z0 )Z n ( z )Z m ( z0 )Z m ( z )e
− j (ζ n −ζ m )r
∑
n =1
N
− j ζ nr − 2π sin (k zn z )sin (k zn z0 )e 4 ζ nr
π
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
4
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 临界频率： 临界频率：最高阶非衰减简正波的传播频率
nπ k zn = , n = 0,1, L H
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 6
0≤ z≤H
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 相速和群速： 相速和群速： 相速： 相速：等相位面的传播速度 等相位面： 等相位面：ζ n r − ωt = const
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 5
1 πc0 ωN = N − 2 H
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导 绝对硬界面的平面波导， 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导，最低阶 简正波为零阶简正波，截止频率为零 简正波为零阶简正波，截止频率为零，任何频率的 声波均能在波导中传播； 声波均能在波导中传播； 若声波频率小于一阶简正波的截止频率， 一阶简正波的截止频率 若声波频率小于一阶简正波的截止频率，则波导中 只有均匀平面波 均匀平面波一种行波 只有均匀平面波一种行波 Z n ( z ) = An sin (k zn z ) + Bn cos(k zn z )
水声学第一章 声纳方程讲解学习
作业点评
第一章
给定水下声压 p为100Pa，那么声强 I 是多大，
与参考声强 I r 比较，以分贝表示的声强级是多少？ （取声速C=1500m/s，密度为1000kg/m3）
解：声强级：
SIL 1l0oIIg 01l0o6 6g ..6 6 7 71 1 0 0 1 19 54d0B
19
11
第三章 海洋中的声传播理论
硬底均匀浅海声场的简正波求解
波动方程导出的基本过程 定解条件 分离变量法求解波动方程的基本过程 本征值与本征函数 临界频率与截止频率 相速与群速 声传播损失的特征
12
第三章 海洋中的声传播理论
液态海底均匀浅海声场的特点
声传播损失的特征
射线理论
基本方程的导出过程 应用条件
镜像法的概念 镜像法计算邻近海面点源声场的基本原理 邻近海面点源声场传播损失的特点
近场菲涅耳（Fresnel）干涉区 远场夫朗和费（Fraunhofer）区 过渡距离
10
第三章 海洋中的声传播理论
主要内容
硬底均匀浅海声场的简正波求解 液态海底均匀浅海声场的特点 射线理论 波动理论与射线理论对比
吸收损失
切变粘滞 热传导 驰豫
传播损失一般公式
TL=n*声学特性
海底反向散射强度
与入射角的关系 与频率的关系 与海底粗糙度的关系
海底声反射损失
与掠射角的关系
海底三参数模型
模型的描述 三个参数的计算
9
第二章 海洋的声学特性
“镜像法”声场计算
优缺点 适用条件
波动理论
射线理论
可以解得声场的解析解； 不易处理复杂边界条件；
只能解得声场的近似解； 易于处理复杂边界条件；
射线模型Bellhop的并行化处理
射线模型Bellhop的并行化处理张朝金;孙炳文【摘要】射线模型是声场计算时常用的模型之一,为了使射线模型Bellhop实现对声场的快速计算,该文基于Bellhop传播模型的C++版本BellhopC开发了并行化射线模型BellhopMP.在并行的处理过程中,结合高斯射线理论,利用多线程技术,建立稳定可靠的并行模型,实现快速声场预报.文章通过仿真实验验证了该模型计算声场的准确性,并通过典型海洋波导下的声传播问题对其并行计算性能进行了测试.结果表明使用BellhopMP能够大幅度提高计算速度,有效解决深海远程等长时间声场计算问题,并且串行所需的计算时间越长,并行效率越高.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2019(038)001【总页数】7页(P1-7)【关键词】高斯射线;声场计算;Bellhop;并行效率【作者】张朝金;孙炳文【作者单位】中国科学院水声环境特性重点实验室北京 100190;中国科学院声学研究所北京 100190;中国科学院大学北京 100049;中国科学院水声环境特性重点实验室北京 100190;中国科学院声学研究所北京 100190【正文语种】中文【中图分类】P733.21+50 引言射线法具有成熟的理论基础，适用范围广且其物理图像清晰，基于射线追踪技术的射线模型被广泛应用于水下声场快速预报[1]、海洋声层析[2−3]、三维声场计算[4−5]、匹配场定位[6]等水声领域。
同时，将射线理论与简正波等模型相互结合，可以建立有效的适用于复杂环境中的低频声场计算模型[7]，或可用于分析复杂环境下声场特性的变化规律[8]。
由于传统射线方法在方程建立与求解上的限制，无法有效计算声影区和会聚区的声场。
几何衍射理论可以处理声影区的计算问题，但该理论中声束宽度的微小设置误差会导致很大的计算问题[1]；W.K.B.近似方法可以有效计算会聚区声场，但是该近似解难以推广至二维和三维的水声传播情况[9]。
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标题：探究bellhop模型的水下声场传递函数
1. 介绍bellhop模型
Bellhop模型是一种用于描述水下声场传播特性的数学模型。
它可以帮助我们理解声波在水下的传播规律，包括传播路径、传播时间、衰减等方面的特性。
Bellhop模型得名于"the BELL Laboratory Hemispherical Surface Program"，是由美国贝尔实验室在20世纪70年代开发的。
2. 水下声场传递函数的定义和作用
水下声场传递函数是指声波在水下传播过程中的传递特性函数。
它可以描述声波在水下的传播路径、声能的衰减情况、折射和反射等现象。
水下声场传递函数是水下声学研究中非常重要的一部分，对于海洋工程、水声通信、声纳探测等领域有着重要的应用价值。
3. bellhop模型的原理和计算方法
bellhop模型是基于线性波动理论和数值计算方法的。
它通过数学建模和计算机仿真的方式，可以准确地模拟声波在水下的传播情况。
其原理主要包括对水下声速结构、介质性质、声波源和接收器位置等因素进行建模，然后通过数值计算方法来求解声场传递函数。
4. bellhop模型的适用范围和局限性
bellhop模型在水下声学研究中有着广泛的应用，可以用于预测声波
在复杂水下环境中的传播情况。
它在海洋工程、水声通信、声纳探测
等领域有着重要的应用价值。
但是，bellhop模型也存在一些局限性，比如对于非线性效应和非均匀介质的情况，它的适用性会受到一定的
限制。
5. 水下声场传递函数的应用实例
通过bellhop模型可以对水下声场传递函数进行计算和分析，从而
可以帮助海洋工程师预测声波在海底传播的情况，为海洋工程设计提
供参考；也可以帮助通信工程师优化水声通信系统的设计，提高通信
的可靠性和稳定性；声纳探测系统也可以利用bellhop模型计算声波
在复杂水下环境中的传播路径和特性，从而提高探测的准确性和效率。
6. 结论
bellhop模型是一种重要的水下声学数学模型，它可以帮助我们理解声波在水下的传播规律，对于海洋工程、水声通信、声纳探测等领域
有着重要的应用价值。
通过对bellhop模型的研究和应用，可以更好
地理解水下声场传递函数的特性，为相关领域的工程设计和科研提供
支撑和指导。
然而，值得注意的是，bellhop模型也存在一定的局限性，需要在实际应用中进行合理的考虑和辅助验证。
希望通过不断的
研究和实践，更好地发挥bellhop模型在水下声学研究中的作用。
bellhop（简称为“the BELL Laboratory Hemispherical Surface Program”）模型是一种用于描述水下声场传播特性的数学模型。
它
可以帮助我们理解声波在水下的传播规律，包括传播路径、传播时间、
衰减等方面的特性。
Bellhop模型是由美国贝尔实验室在20世纪70
年代开发的，是基于线性波动理论和数值计算方法的。
它通过数学建
模和计算机仿真的方式，可以准确地模拟声波在水下的传播情况，为
水下声学研究提供了重要的工具和方法。
在水下声学研究中，水下声场传递函数是非常重要的一部分。
它描述
了声波在水下的传输特性，包括声波路径、声能衰减情况、折射和反
射等现象。
水下声场传递函数对于海洋工程、水声通信、声纳探测等
领域有着重要的应用价值。
通过对水下声场传递函数的研究和分析，
可以帮助工程师和研究人员优化设计方案，提高系统的性能和可靠性。
bellhop模型的原理主要包括对水下声速结构、介质性质、声波源和
接收器位置等因素进行建模，然后通过数值计算方法来求解声场传递
函数。
该模型可以用于预测声波在复杂水下环境中的传播情况，并且
在海洋工程、水声通信、声纳探测等领域有着广泛的应用范围。
然而，它也存在一定的局限性，特别是在处理非线性效应和非均匀介质的情
况时，其适用性会受到一定的限制。
通过bellhop模型可以对水下声场传递函数进行计算和分析。
在海洋
工程中，可以利用bellhop模型预测声波在海底的传播情况，为海底
结构的设计和布置提供参考；在水声通信领域，可以通过该模型来优
化水下通信系统的设计，提高通信的可靠性和稳定性；声纳探测系统
也可以利用bellhop模型来计算声波在复杂水下环境中的传播路径和
特性，从而提高探测的准确性和效率。
bellhop模型是对水下声场传播特性进行描述和分析的重要工具，对于水下声学研究和相关领域的工程设计具有重要的应用价值。
通过对其不断的研究和实践，可以更好地理解水下声场传递函数的特性，为相关领域的工程设计和科研提供支撑和指导。
然而，我们也必须认识到bellhop模型的局限性，并且需要在实际应用中进行合理的考虑和辅助验证。
希望通过不断的研究和实践，更好地发挥bellhop模型在水下声学研究中的作用，为人类更好地利用水下声场带来更多的科学和技术进步。