浅海水下声源辐射声场

浅海水下声源辐射声场 贾锋超 【摘 要】目前，我国大部分声学测试试验在浅海海域进行，浅海声波导的多途效应、声速梯度的变化对声传播产生直接的影响。通过射线声学模型对不同频率的声源在浅海等声速梯度和温跃层声速梯度环境下辐射声场和声传播衰减特性进行仿真研究，给出声场分布图和传播损失变化曲线图，得到声场分布和传播损失随声源频率的变化规律。%At present, the most acoustic test tests in shallow sea waters, the multiplicity of shallow water waveguide effect, the change of the velocity gradient have direct influence on sound propagation. Acoustic model based on the ray in shallow sea different frequencies of sound sources such as sound velocity gradient and the thermocline velocity gradient under the environment of radiation sound field and acoustic propagation attenuation characteristic has carried on the simulation research, sound field distribution and transmission loss curve is given, and the sound field distribution and transmission loss of changing with the frequency of the sound source.

【期刊名称】《舰船科学技术》 【年(卷),期】2015(000)001 【总页数】5页(P79-83) 【关键词】射线模型;声速梯度;声场分布;传播损失 【作 者】贾锋超 【作者单位】大连测控技术研究所，辽宁 大连116013 【正文语种】中 文 【中图分类】TB56 目前，我国大部分声学测试试验在浅海进行，浅海波导中的多途效应、声速梯度的变化等都会对声传播产生影响，因此研究浅海水下目标声场分布以及声传播的衰减特性对提高声学测试技术准确获取水下声源的固有辐射特性有重要的基础支撑作用。 研究海洋中的声传播需要选择适当的声传播模型对海洋环境进行建模，常用的声学模型有射线声学模型、简正波模型、快速场积分模型、抛物方程模型及多途扩展模型[1-5]，这些方法都是对波动方程进行不同程度的近似处理得到的针对不同频率、不同距离、不同参数选取、不同目标函数的模型。在描述浅海声场时通常采用射线模型和简正波模型。本文以射线声学为理论基础，分析浅海声波导条件下水下目标辐射声场特性和声传播衰减特性，得出不同声源频率在不同声速梯度条件下声场特性和传播衰减曲线。 射线声学把声波看作是一束无数条垂直于等相位面射线的传播，每条射线与等相位面相垂直，称为声线[6]。射线声学是发展最早，也是数学上最简单、物理上最直观的声场分析方法。在射线声学中假设声能根据介质性质的空间变化沿一定路径传播[7]。射线声学有2个基本方程，即程函方程和强度方程。程函方程用来决定声线的具体传播轨迹，而强度方程则重点说明能量的传播规律[2]。 由波动方程： 其中c=c(x,y,z)为声速，有如下形式解存在： 式中：A为声压振幅，是坐标的函数； c0为参考点声速；n(x，y，z)为折射率；k为波数，k=(ω/c0)·[c0/c(x,y,z)]=k0n(x,y,z)。 将式(2)代入式(1)得到： 其实部和虚部均等于0，则有： 当▽2A/A≤k2时，式(4)化成： 式(6)是射线声学的第一个基本方程——程函方程，式(5)是射线声学的第二个基本方程——强度方程。 射线声学是波动声学在高频条件下的近似，在1个波长距离上的变化量，波长越短，频率越高，射线声学应用的条件越容易得到满足，因此，射线声学模型适合在高频条件下使用。在近距离范围内，由于反射损失以及虚源和接收点之间距离的增加，使得高阶虚源不起作用，这时采用射线理论较为方便。这个距离可以通过下式给出[8]。 式中：H为海深；λ为波长。在小于此距离范围内，可以用射线理论来描述声场。 浅海声场模型如图1所示，H为海深，d为声源深度，海底为泥沙底质，环境参数如表1所示。 对频率为200 Hz，400 Hz，600 Hz，800 Hz的声源分别仿真研究。 1)声场分布 图中明暗相间的条纹是由于海底海面反射在接受点处的信号能量迭加造成的。200 Hz时，声场分布明暗相间条纹在20 m距离内比较稀少，说明这段距离内受海底海面反射影响比较小；40~100 m距离内逐渐出现明暗相间条纹，说明海面海底反射影 响逐渐体现出来，随着频率增大，开始出现明暗相间条纹的距离越近。比较以上声场分布图可知：随着频率升高，明暗条纹间距变小，声能量变化越快。 2)传播衰减特性 图6~图9中， P1表示该海洋环境模型条件下的仿真计算得到传播损失曲线，P2表示按球面波衰减规律的传播损失曲线。比较以上传播损失曲线图可以得出：频率为200 Hz时传播损失曲线较球面波衰减规律的曲线起伏变化较大，随着频率的升高，起伏逐渐变小。因此，相对于高频声源，浅海波导对低频声传播影响较大。 通过查阅相关水文气象资料发现，春秋季节,在我国北方浅海海区温跃层会出现负声速梯度分布的情况。因此，本文结合实际负声速梯度分布情况进行仿真研究。 温跃层声速梯度分布如表3所示，其他仿真参数与等声速梯度参数相同。 1)声场分布 由图10~图13可知，在强温跃层声速梯度条件下，200 Hz时声场分布明暗相间条纹在100 m范围内比较稀少，说明相对于等声速梯度受到海底海面的反射影响比较小，但声场随着声源频率的变化趋势和等声速条件下一致。 2)传播衰减特性 由图14~图17可知，在强温跃层声速梯度条件下，随着声源频率的增大，传播损失变化相对于球面波衰减规律同等声速梯度条件下基本一致。比较相同频率条件下，等声速梯度和温跃层声速梯度条件下传播衰减损失曲线可发现：在40 m范围内，传播损失大小基本相同；随着距离增加，存在负声速梯度的温跃层条件下传播损失波谷点和波峰点分别比等声速条件下多出2~4 dB；在相同的距离上，温跃层传播损失出现波谷点的距离明显比等声速波谷点要近，表明在设定声源和水听器位置条件下负声速梯度会增大声传播衰减。 本文通过射线声学理论对浅海波导条件下的不同声速梯度下声源辐射声场特性以及声传播衰减特性进行了仿真研究，并把得到的声传播衰减特性与球面波衰减规律的对比分析，得出不同频率的声源辐射声场分布情况以及不同声速条件下声传播衰减特性变化曲线。通过比较分析发现，对于水文的季节性变化，声传播损失变化是显著存在的。因此，对于100 m距离范围内的近场声学测试试验进行结果分析时，如何减小浅海声波导及水文季节变化带来的误差是必须要考虑的问题，给出定量的误差结果是今后需要进一步开展的工作。 【相关文献】 [1] KELLER J B.Rays,waves and asymptotics[M].B.A.M.S.1978:727-750. [2] PORTER M B.The Kraken normal mode program[M].Rep.SM-245.1991. [3] TAPPERT F D.The parabolic approximation method in wave propagation in under water acoustic[M].Newyork,Springer-Verlag,1977:224-287. [4] ETTER P C.Under water acoustic modeling techniques[J].The Shock and Vibration Digest,1990,22(5):3-12. [5] FRANKE S J,SWENSON G W,GREEN J.A Brief tutorial on the fast field program(FFP)as applied to sound propagation in the air[J].Applied Acoustics,1989,0003-682X. [6] 刘伯胜,雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1993:101-108. LIU Bo-sheng,LEI Jia-yu.Underwater acoustics principle[M].Harbin:Harbin Engineering University Press,1993:101-108. [7] 霍夫斯基赫.分层介质中的波[M].杨训仁，译,北京:科学出版社,1985:112. Hoff.Mr.Wave in layered medium[M].Translated by YANG Xun-ren,Beijing:Science press,1985:112. [8] R.J.尤立克.水声原理[M].洪申，译,哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1990:96-98. R.J.Urick.Underwater acoustic principle[M].Translated by HONG Shen,Harbin:Harbin engineering university press,1990:96-98.