基于射線模型的典型海底地形下的聲傳播

韋強強+韓東+徐池+孫杜娟

摘 要：海洋中檢測、通信、定位和導航主要利用聲波。聲波是目前水下信息傳輸的主要載體。文章基于射線模型對深海環境下四種典型海底地形聲傳播展開研究。仿真結果表明，可利用海底地形對聲波的反射和折射效應，獲得聲源達到空間任意位置的聲線傳播軌跡和傳播損失，基于射線模型的聲傳播研究可為實際海洋環境下的水下信息傳輸以及探測提供技術支持。

關鍵詞：典型海底地形；射線模型；聲線傳播

中圖分類號：P733.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0003-04

1 概述

在海洋環境中，海底地形是水聲傳播的下邊界，不同的海底地形對水下聲傳播有著重要的影響。研究海底地形與聲傳播的關系對水下探測、定位和信息傳輸等有著極其重要的作用。射線模型在聲傳播的研究中使用比較廣泛，該模型應用簡單直觀、計算速度快。射線模型計算出聲場的傳播損失以及聲線的傳播路徑等多種數據，是聲場研究的一種有效方法。射線模型在處理聲線的會聚區與影區、聲線的傳播路徑等方面要優于簡正波模型。在射線模型中，Bellhop模型引入高斯波束跟蹤法，在處理聲線完全影區和能量焦散等問題方面與傳統模型相比有非常明顯地改進。需要說明的是，Bellhop模型在計算高頻率的聲傳播時，結果與實際比較接近，效果比較好，并且隨著研究的不斷深入，通過對Bellhop模型的處理和改進，在低頻率的聲傳播研究中，也能夠得到較好的結果[1]。

本文針對典型聲速剖面下，利用Bellhop模型實現了深海環境中，四種典型海底地形的水下聲學仿真實驗，可為水下信息傳輸和探測提供理論的研究依據。

2 射線理論模型

在射線模型中，聲場中的能量是靠聲線來傳播的，聲源發出的聲線在信道中按照一定的路徑傳播后到達接收點，接收點所接收到的聲能是所有到達該點的聲線能量之和。因為不同的聲線有不同的傳播路徑，因此到達接收點的相位和時間也有所不同。所有聲線攜帶的能量是守恒的，經過傳播過程中的擴展損失和吸收損失后，到達接收點的能量會有衰減，但是通過對傳播損失的規律的研究，可以確定到達接收點的聲線強度。由此，在射線模型中有兩個基本方程，一個是用于確定聲線傳播路徑的程函方程，一個是用于確定單根聲線強度的強度方程[2]。

式（2-10）則稱為強度方程。聲線強度的數值與聲場幅度A的平方具有正比關系。通過強度方程和程函方程就可以得到波動方程的近似解。

射線聲學方法是出現最早，同時也是最簡單的計算聲場的方法。它具有適用范圍廣、計算速度快、物理圖像清晰等優點。隨著對對射線聲學方法的進一步研究，射線聲學在計算精度、計算速度以及適用范圍等許多方面在不斷改進與完善。

3 典型海底地形下的聲傳播分析

海底地形對水聲傳播有相當大的影響，探究不同海底地形對水聲傳播的作用與影響，對海洋環境中的探測、定位、水聲傳播的仿真以及水下信息傳輸距離的預測都是極其重要的。在研究海底地形對聲傳播的影響時，根據我國海域的海底地形特點，大致可以分為四種典型的海底地形，分別為海山型海底地形、階梯型海底地形、斜坡型海底地形和海溝型海底地形[3]。另外，為了更直接地得出不同海底地形對聲傳播的影響，本文對平坦海底下的聲傳播進行仿真，提供對比。

3.1 平坦海底地形下的聲傳播仿真

本文使用了Bellhop射線模型進行數值計算。圖1為典型深海聲速剖面。

基于圖1的聲速剖面條件，給出不同海底地形條件下的聲傳播仿真結果。圖2給出了聲源深度1000m，中心頻率50Hz，平坦海底條件下計算的聲傳播損失圖和聲線傳播圖。

3.2 海山型海底地形下的聲傳播仿真

圖3給出了聲源深度1000m，中心頻率50Hz，海山型[4]海底條件下計算的聲傳播損失圖和聲線傳播圖。

3.3 斜坡型海底地形下的聲傳播仿真

圖4給出了聲源深度1000m，中心頻率50Hz，斜坡型[5][6]海底條件下計算的聲傳播損失圖和聲線傳播圖。

3.4 階梯型海底地形下的聲傳播仿真

圖3-4給出了聲源深度1000m，中心頻率50Hz，階梯型海底條件下計算的聲傳播損失圖和聲線傳播圖。

3.5 海溝型海底地形下的聲傳播仿真

圖3-5給出了聲源深度1000m，中心頻率50Hz，海溝型海底條件下計算的聲傳播損失圖和聲線傳播圖。

3.6 仿真結果分析

根據不同海底地形條件下的仿真結果，經分析后，得出結論：在近距離上會聚區主要是波導聲線形成的，可以形成比較大的匯聚去增益。隨著傳播距離的增加，以及海洋深度的降低，會聚區主要是由經海底反射后的聲線形成的，但是隨著聲線不斷的與海底接觸，傳播損失也越來越大，會聚區與影區的間距也越來越小，因此會聚區的增益也降低。同時，在受到海底反射后的聲線，其傳播路徑也發生明顯改變，與平坦海底地形下的聲傳播路徑有一定的差異。

（1）根據圖3，可知海山型海底對聲傳播的影響比較大，主要體現在：聲線在海山的前側以及頂部形成一個很明顯的會聚區，這個會聚區的增益比較大。而聲線在經過海山頂部后，聲線的傳播路徑變得不規則，沒有明顯的會聚區，傳播損失也變得比較大。根據圖5可知，階梯型海底對聲傳播的影響類似于海山型海底，主要體現在階梯對聲線的不斷反射使聲線傳播路徑發生不規則的改變，并且加大傳播損失。

（2）根據圖4，斜坡型海底對聲傳播的影響主要也體現在深度不斷減小的海底對聲線的反射作用。隨著深度的減小，經過海底反射的聲線不斷形成會聚區，并且會聚區距離較近，同時也加劇了傳播損失，但是這個會聚區與平坦型海底下的聲傳播會聚區有較大的區別。

（3）根據圖5，海溝型海底對聲傳播的影響主要體現在：經海溝兩側反射后的部分聲線的不規則傳播以及傳播損失的增大。

4 結束語

海底地形是在進行水下聲傳播仿真與研究中不可忽略的環境因素。海底對聲線的反射作用對研究典型海底地形下的聲傳播的影響具有重大意義。從仿真結果得分析可知，不同的海底地形對聲傳播具有不同的作用與影響。不僅聲傳播路徑發生明顯變化，傳播損失也發生較大改變。其中，海山型海底和階梯型海底對聲傳播的影響最大，海溝型海底次之，斜坡型海底對聲傳播的影響最小。這必將會對利用聲波進行探測和定位產生非常大的影響。本文實現了基于射線理論模型的四種典型海底地形下的聲傳播規律仿真，可為實際海洋環境下的水下信息傳輸研究提供技術支持。

參考文獻：

[1]楊家軒，何琳，帥長庚，等.基于Bellhop模型的不同海山地形水下聲學仿真[J].聲學技術，2015，34（6）：1-4.

[2]樸勝春，黃益旺，楊士羲.水聲傳播中射線聲學方法的應用[Z].中國聲學學會2005年青年學術會，2005.

[3]南明星，查良龍，盧曉亭.典型海底地形下聲線管束軌跡分析[J].聲學技術，2006，25（2）：1-4.

[4]李文，李整林，南明星.深海海底山對聲傳播的影響[J].聲學技術，2014，33（2）：1-3.

[5]胡治國，李整林，任云.深海傾斜海底對聲傳播的影響[J].聲學技術，2015，34（6）：1-4.

[6]胡治國，李整林，秦繼興，等.深海海底斜坡環境對聲傳播規律的影響[J].中國科學，2016，46（9）：8-10.endprint