淺海水下聲源輻射聲場

賈鋒超

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

淺海水下聲源輻射聲場

賈鋒超

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

摘要：目前，我國大部分聲學測試試驗在淺海海域進行，淺海聲波導的多途效應、聲速梯度的變化對聲傳播產生直接的影響。通過射線聲學模型對不同頻率的聲源在淺海等聲速梯度和溫躍層聲速梯度環境下輻射聲場和聲傳播衰減特性進行仿真研究，給出聲場分布圖和傳播損失變化曲線圖，得到聲場分布和傳播損失隨聲源頻率的變化規律。

關鍵詞：射線模型；聲速梯度；聲場分布；傳播損失

0引言

目前，我國大部分聲學測試試驗在淺海進行，淺海波導中的多途效應、聲速梯度的變化等都會對聲傳播產生影響，因此研究淺海水下目標聲場分布以及聲傳播的衰減特性對提高聲學測試技術準確獲取水下聲源的固有輻射特性有重要的基礎支撐作用。

研究海洋中的聲傳播需要選擇適當的聲傳播模型對海洋環境進行建模，常用的聲學模型有射線聲學模型、簡正波模型、快速場積分模型、拋物方程模型及多途擴展模型[1-5]，這些方法都是對波動方程進行不同程度的近似處理得到的針對不同頻率、不同距離、不同參數選取、不同目標函數的模型。在描述淺海聲場時通常采用射線模型和簡正波模型。本文以射線聲學為理論基礎，分析淺海聲波導條件下水下目標輻射聲場特性和聲傳播衰減特性，得出不同聲源頻率在不同聲速梯度條件下聲場特性和傳播衰減曲線。

1射線聲學模型

射線聲學把聲波看作是一束無數條垂直于等相位面射線的傳播，每條射線與等相位面相垂直，稱為聲線[6]。射線聲學是發展最早，也是數學上最簡單、物理上最直觀的聲場分析方法。在射線聲學中假設聲能根據介質性質的空間變化沿一定路徑傳播[7]。射線聲學有2個基本方程，即程函方程和強度方程。程函方程用來決定聲線的具體傳播軌跡，而強度方程則重點說明能量的傳播規律[2]。

由波動方程：

(1)

其中c=c(x,y,z)為聲速，有如下形式解存在：

p(x,y,z,t)=A(x,y,z)ej[ωt-k(x,y,z)φ1(x,y,z)]=

A(x,y,z)ej[ωt-k0φ(x,y,z)]。

(2)

式中：A為聲壓振幅，是坐標的函數；c0為參考點聲速；n(x，y，z)為折射率；k為波數，k=(ω/c0)·[c0/c(x,y,z)]=k0n(x,y,z)。

將式(2)代入式(1)得到：

▽2φ)=0，

(3)

其實部和虛部均等于0，則有：

(4)

(5)

當▽2A/A≤k2時，式(4)化成：

(6)

式(6)是射線聲學的第一個基本方程——程函方程，式(5)是射線聲學的第二個基本方程——強度方程。

射線聲學是波動聲學在高頻條件下的近似，在1個波長距離上的變化量，波長越短，頻率越高，射線聲學應用的條件越容易得到滿足，因此，射線聲學模型適合在高頻條件下使用。在近距離范圍內，由于反射損失以及虛源和接收點之間距離的增加，使得高階虛源不起作用，這時采用射線理論較為方便。這個距離可以通過下式給出[8]。

(7)

式中：H為海深；λ為波長。在小于此距離范圍內，可以用射線理論來描述聲場。

2淺海海洋環境條件下仿真研究

2.1　等聲速不同頻率的聲源輻射聲場

淺海聲場模型如圖1所示，H為海深，d為聲源深度，海底為泥沙底質，環境參數如表1所示。

圖1　淺海模型示意圖Fig.1　The model of shallow sea

介質參數深度/m縱波波速/m·s-1橫波波速/m·s-1密度/g·cm-3縱波衰減/dB·λ-1橫波衰減/dB·λ-1海水0~60153701.0300泥沙底質60~∞160001.800.30

表2　淺海等聲速梯度下的聲源和接收器參數

對頻率為200 Hz，400 Hz，600 Hz，800 Hz的聲源分別仿真研究。

1)聲場分布

圖中明暗相間的條紋是由于海底海面反射在接受點處的信號能量迭加造成的。200 Hz時，聲場分布明暗相間條紋在20 m距離內比較稀少，說明這段距離內受海底海面反射影響比較小；40~100 m距離內逐漸出現明暗相間條紋，說明海面海底反射影

圖2　F=200 Hz聲場分布Fig.2　Sound field distribution of F=200 Hz

圖3　F=400 Hz聲場分布Fig.3　Sound field distribution of F=400 Hz

圖4　F=600 Hz聲場分布Fig.4　Sound field distribution of F=600 Hz

圖5　F=800 Hz聲場分布Fig.5　Sound field distribution of F=800 Hz

響逐漸體現出來，隨著頻率增大，開始出現明暗相間條紋的距離越近。比較以上聲場分布圖可知：隨著頻率升高，明暗條紋間距變小，聲能量變化越快。

2)傳播衰減特性

圖6~圖9中，P1表示該海洋環境模型條件下的仿真計算得到傳播損失曲線，P2表示按球面波衰減規律的傳播損失曲線。比較以上傳播損失曲線圖可以得出：頻率為200 Hz時傳播損失曲線較球面波衰減規律的曲線起伏變化較大，隨著頻率的升高，起伏逐漸變小。因此，相對于高頻聲源，淺海波導對低頻聲傳播影響較大。

圖6　F=200 Hz傳播損失曲線Fig.6　Transmission loss curve of F=200 Hz

圖7　F=400 Hz傳播損失曲線Fig.7　Transmission loss curve of F=400 Hz

圖8　F=600 Hz傳播損失曲線Fig.8　Transmission loss curve of F=600 Hz

圖9　F=800 Hz傳播損失曲線Fig.9　Transmission loss curve of F=800 Hz

2.2　溫躍層條件下不同頻率的聲源輻射聲場

通過查閱相關水文氣象資料發現，春秋季節,在我國北方淺海海區溫躍層會出現負聲速梯度分布的情況。因此，本文結合實際負聲速梯度分布情況進行仿真研究。

溫躍層聲速梯度分布如表3所示，其他仿真參數與等聲速梯度參數相同。

表3　溫躍層聲速分布

1)聲場分布

由圖10~圖13可知，在強溫躍層聲速梯度條件下，200 Hz時聲場分布明暗相間條紋在100 m范圍內比較稀少，說明相對于等聲速梯度受到海底海面的反射影響比較小，但聲場隨著聲源頻率的變化趨勢和等聲速條件下一致。

圖10　F=200 Hz聲場分布Fig.10　Sound field distribution of F=200 Hz

圖11　F=400 Hz聲場分布Fig.11　Sound field distribution of F=400 Hz

圖12　F=600 Hz聲場分布Fig.12　Sound field distribution of F=600 Hz

圖13　F=800 Hz聲場分布Fig.13　Sound field distribution of F=800 Hz

2)傳播衰減特性

由圖14~圖17可知，在強溫躍層聲速梯度條件下，隨著聲源頻率的增大，傳播損失變化相對于球面波衰減規律同等聲速梯度條件下基本一致。比較相同頻率條件下，等聲速梯度和溫躍層聲速梯度條件下傳播衰減損失曲線可發現：在40 m范圍內，傳播損失大小基本相同；隨著距離增加，存在負聲速梯度的溫躍層條件下傳播損失波谷點和波峰點分別比等聲速條件下多出2~4 dB；在相同的距離上，溫躍層傳播損失出現波谷點的距離明顯比等聲速波谷點要近，表明在設定聲源和水聽器位置條件下負聲速梯度會增大聲傳播衰減。

圖14　F=200 Hz傳播損失曲線Fig.14　Transmission loss curve of F=200 Hz

圖15　F=400 Hz傳播損失曲線Fig.15　Transmission loss curve of F=400 Hz

圖16　F=600 Hz傳播損失曲線Fig.16　Transmission loss curve of F=600 Hz

圖17　F=800 Hz傳播損失曲線Fig.17　Transmission loss curve of F=800 Hz

3結語

本文通過射線聲學理論對淺海波導條件下的不同聲速梯度下聲源輻射聲場特性以及聲傳播衰減特性進行了仿真研究，并把得到的聲傳播衰減特性與球面波衰減規律的對比分析，得出不同頻率的聲源輻射聲場分布情況以及不同聲速條件下聲傳播衰減特性變化曲線。通過比較分析發現，對于水文的季節性變化，聲傳播損失變化是顯著存在的。因此，對于100 m距離范圍內的近場聲學測試試驗進行結果分析時，如何減小淺海聲波導及水文季節變化帶來的誤差是必須要考慮的問題，給出定量的誤差結果是今后需要進一步開展的工作。

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R.J.Urick.Underwater acoustic principle[M].Translated by HONG Shen,Harbin:Harbin engineering university press,1990:96-98.

Shallow sea underwater sound radiation sound field research

JIA Feng-chao

(Dalian Scientific Test and Control Technology Institute,Dalian 116013,China)

Abstract：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.

Key words：ray model；sound velocity；sound field distribution；transmission loss

作者簡介：賈鋒超(1988-)，男，碩士研究生，研究方向為水聲物理場。

收稿日期：2013-12-04； 修回日期： 2014-03-03

文章編號：1672-7649(2015)01-0079-05

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.016

中圖分類號：TB56

文獻標識碼：A