張維

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傾斜海底反射時聲線水平偏轉(zhuǎn)問題研究

張維

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003)

三維淺海環(huán)境下，聲線在傾斜海底反射時，會在水平方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在遠(yuǎn)距離傳播問題中，由于累積效應(yīng)，接收聲線的方位角與發(fā)射聲線產(chǎn)生較大的偏差。若忽略不計，將會給聲源定向等工作帶來較大的誤差。因此，研究聲線在傾斜海底反射時的水平偏轉(zhuǎn)問題，并總結(jié)其規(guī)律具有重要意義。采用射線聲學(xué)的方法系統(tǒng)地研究了不同參數(shù)情況下傾斜海底聲線水平偏轉(zhuǎn)的問題，得到了在海底變化較緩時的近似公式，并進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。結(jié)果表明，聲線的水平偏轉(zhuǎn)的大小和方向由海底深度梯度和入射聲線方位角與掠射角共同決定。

傾斜海底；水平偏轉(zhuǎn)；方位角

0 引言

在三維淺海環(huán)境下，不僅聲速剖面的水平不均勻性會引起聲線的水平折射[1]，復(fù)雜海底的反射也會使聲線產(chǎn)生水平偏轉(zhuǎn)[2]，文獻(xiàn)[3,4]采用不同的方法研究了聲線在傾斜海底反射時的水平偏轉(zhuǎn)問題。文獻(xiàn)[5]仿真了三維聲線的傳播軌跡，計算結(jié)果表明，若不考慮海底傾斜所帶來的水平偏轉(zhuǎn)問題，將帶來較大的時間誤差，在遠(yuǎn)距離傳播時，這種誤差難以被忽略。文獻(xiàn)[6]指出，在海底傾斜角度較大時，聲線的水平偏轉(zhuǎn)明顯，對聲源定向會產(chǎn)生較大的誤差，提出了修正辦法。文獻(xiàn)[7]采用三維射線的方法計算了聲線的水平偏轉(zhuǎn)對聲場分布的影響。

在應(yīng)用射線聲學(xué)解決工程問題時，例如，聲速剖面反演[8]、聲源定位[9]等，大多數(shù)學(xué)者仍然采用的是二維射線聲學(xué)，原因就在于三維射線的復(fù)雜性，尤其是海底反射所帶來的一些問題。采用二維射線雖然簡化了計算過程，但是增加了誤差。在海底傾斜角較大時，要保證計算的精度就必須采用三維射線，并考慮海底反射所帶來的聲線水平偏轉(zhuǎn)問題。

傾斜海底環(huán)境下，聲線水平偏轉(zhuǎn)角度與各參數(shù)之間的關(guān)系并沒有被系統(tǒng)研究，無法給遠(yuǎn)程聲傳播問題提供指導(dǎo)。針對這一情況，本文通過公式推導(dǎo)，得到了嚴(yán)格的聲線水平偏轉(zhuǎn)關(guān)系式，并進(jìn)行了簡化，近似表達(dá)式可用于海底深度變化緩慢情況下的快速計算。通過仿真計算系統(tǒng)地研究了海底深度梯度、入射聲線方位角、掠射角等取不同數(shù)值時聲線的水平偏轉(zhuǎn)問題，并總結(jié)出一些重要的結(jié)論，可為淺海射線聲傳播問題提供參考。

1 公式推導(dǎo)

圖1 傾斜海底聲線反射示意圖

由式(2)和式(3)可以得出三個角度之間的一個簡單的關(guān)系式

2 理論分析

由式(2)和式(4)可知，入射方位角越靠近深度梯度角或者其延長線方向(深度梯度角范圍在90°～180°或者-180°～-90°時)，越小，反射方位角偏離入射方位角越小。極限情況是，入射方位角與深度梯度角或者其延長線方向一致，聲線在傾斜海底反射時將不會發(fā)生水平方向上的偏轉(zhuǎn)；入射方位角與深度梯度角垂直時，方位角偏轉(zhuǎn)最大。

(a)b2＞0????(b)b2＜0

(a)b2＞0????(b)b2＜0

(a)b2＞0????(b)b2＜0

(a)b2＞0????(b)b2＜0

3 數(shù)值計算

(a) 聲線水平投影

(b) 聲線矢徑

圖6 聲線水平投影與聲線矢徑

Fig.6 The horizontal projection and radius vector of rays

表1 不同參數(shù)情況下聲線的水平偏轉(zhuǎn)角度

4 結(jié)論

本文通過推導(dǎo)得到了海底深度變化較緩情況下的聲線方向變化簡易關(guān)系式，通過計算和分析，可以得出聲線在傾斜海底反射時的以下幾條結(jié)論：

(1) 聲線在傾斜海底發(fā)生反射時可能會發(fā)生水平方向上的偏轉(zhuǎn)；

(3) 入射方位角越靠近深度梯度角或者其延長線方向，水平偏轉(zhuǎn)越小，當(dāng)入射方位角與深度梯度角或其延長線方向一致時，不會發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)；

(4) 海底深度梯度越大，聲線水平偏轉(zhuǎn)越大；

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Horizontal deflection of sound ray caused by reflection from irregular sea bottom

ZHANG Wei

(Yichang Research Institute of Testing Technology, Yichang 443003, Hubei, China)

For 3D shallow water sound propagation, horizontal deflection will be taken place when sound ray reflected from irregular sea bottom. Due to accumulative effects, the difference between the azimuth angles of

ray and launched ray can be great when the propagation range is large enough. If the deflection is not taken into account, there will be great errors in acoustic source orientation. So it is significant to study the horizontal deflection of sound ray caused by reflection from irregular sea bottom and the corresponding rule. In this paper, the horizontal deflection of sound ray based on different parameters is studied; the approximate formulae for small gradient angle of sea bottom are obtained. The results of numerical simulation and analyses indicate that the magnitude and direction of horizontal deflection are decided by the gradient of the seabed depth and the angle of azimuth and graze.

irregular seabed; horizontal deflection; azimuth angle

P733.21

A

1000-3630(2017)-03-0224-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.03.005

2016-11-15;

2017-02-15

國家部委資助項目(91420A05020514CB40014)

張維(1984－), 男, 湖北鐘祥人, 博士, 研究方向為海洋聲場分析。

張維, E-mail: zhangwei667@163.com。