韋強(qiáng)強(qiáng)+韓東+徐池+孫杜娟

摘 要：海洋中檢測(cè)、通信、定位和導(dǎo)航主要利用聲波。聲波是目前水下信息傳輸?shù)闹饕d體。文章基于射線(xiàn)模型對(duì)深海環(huán)境下四種典型海底地形聲傳播展開(kāi)研究。仿真結(jié)果表明，可利用海底地形對(duì)聲波的反射和折射效應(yīng)，獲得聲源達(dá)到空間任意位置的聲線(xiàn)傳播軌跡和傳播損失，基于射線(xiàn)模型的聲傳播研究可為實(shí)際海洋環(huán)境下的水下信息傳輸以及探測(cè)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：典型海底地形；射線(xiàn)模型；聲線(xiàn)傳播

中圖分類(lèi)號(hào)：P733.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0003-04

1 概述

在海洋環(huán)境中，海底地形是水聲傳播的下邊界，不同的海底地形對(duì)水下聲傳播有著重要的影響。研究海底地形與聲傳播的關(guān)系對(duì)水下探測(cè)、定位和信息傳輸?shù)扔兄鴺O其重要的作用。射線(xiàn)模型在聲傳播的研究中使用比較廣泛，該模型應(yīng)用簡(jiǎn)單直觀、計(jì)算速度快。射線(xiàn)模型計(jì)算出聲場(chǎng)的傳播損失以及聲線(xiàn)的傳播路徑等多種數(shù)據(jù)，是聲場(chǎng)研究的一種有效方法。射線(xiàn)模型在處理聲線(xiàn)的會(huì)聚區(qū)與影區(qū)、聲線(xiàn)的傳播路徑等方面要優(yōu)于簡(jiǎn)正波模型。在射線(xiàn)模型中，Bellhop模型引入高斯波束跟蹤法，在處理聲線(xiàn)完全影區(qū)和能量焦散等問(wèn)題方面與傳統(tǒng)模型相比有非常明顯地改進(jìn)。需要說(shuō)明的是，Bellhop模型在計(jì)算高頻率的聲傳播時(shí)，結(jié)果與實(shí)際比較接近，效果比較好，并且隨著研究的不斷深入，通過(guò)對(duì)Bellhop模型的處理和改進(jìn)，在低頻率的聲傳播研究中，也能夠得到較好的結(jié)果[1]。

本文針對(duì)典型聲速剖面下，利用Bellhop模型實(shí)現(xiàn)了深海環(huán)境中，四種典型海底地形的水下聲學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，可為水下信息傳輸和探測(cè)提供理論的研究依據(jù)。

2 射線(xiàn)理論模型

在射線(xiàn)模型中，聲場(chǎng)中的能量是靠聲線(xiàn)來(lái)傳播的，聲源發(fā)出的聲線(xiàn)在信道中按照一定的路徑傳播后到達(dá)接收點(diǎn)，接收點(diǎn)所接收到的聲能是所有到達(dá)該點(diǎn)的聲線(xiàn)能量之和。因?yàn)椴煌穆暰€(xiàn)有不同的傳播路徑，因此到達(dá)接收點(diǎn)的相位和時(shí)間也有所不同。所有聲線(xiàn)攜帶的能量是守恒的，經(jīng)過(guò)傳播過(guò)程中的擴(kuò)展損失和吸收損失后，到達(dá)接收點(diǎn)的能量會(huì)有衰減，但是通過(guò)對(duì)傳播損失的規(guī)律的研究，可以確定到達(dá)接收點(diǎn)的聲線(xiàn)強(qiáng)度。由此，在射線(xiàn)模型中有兩個(gè)基本方程，一個(gè)是用于確定聲線(xiàn)傳播路徑的程函方程，一個(gè)是用于確定單根聲線(xiàn)強(qiáng)度的強(qiáng)度方程[2]。

式（2-10）則稱(chēng)為強(qiáng)度方程。聲線(xiàn)強(qiáng)度的數(shù)值與聲場(chǎng)幅度A的平方具有正比關(guān)系。通過(guò)強(qiáng)度方程和程函方程就可以得到波動(dòng)方程的近似解。

射線(xiàn)聲學(xué)方法是出現(xiàn)最早，同時(shí)也是最簡(jiǎn)單的計(jì)算聲場(chǎng)的方法。它具有適用范圍廣、計(jì)算速度快、物理圖像清晰等優(yōu)點(diǎn)。隨著對(duì)對(duì)射線(xiàn)聲學(xué)方法的進(jìn)一步研究，射線(xiàn)聲學(xué)在計(jì)算精度、計(jì)算速度以及適用范圍等許多方面在不斷改進(jìn)與完善。

3 典型海底地形下的聲傳播分析

海底地形對(duì)水聲傳播有相當(dāng)大的影響，探究不同海底地形對(duì)水聲傳播的作用與影響，對(duì)海洋環(huán)境中的探測(cè)、定位、水聲傳播的仿真以及水下信息傳輸距離的預(yù)測(cè)都是極其重要的。在研究海底地形對(duì)聲傳播的影響時(shí)，根據(jù)我國(guó)海域的海底地形特點(diǎn)，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(duì)聲傳播的影響，本文對(duì)平坦海底下的聲傳播進(jìn)行仿真，提供對(duì)比。

3.1 平坦海底地形下的聲傳播仿真

本文使用了Bellhop射線(xiàn)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(jié)果。圖2給出了聲源深度1000m，中心頻率50Hz，平坦海底條件下計(jì)算的聲傳播損失圖和聲線(xiàn)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(jì)算的聲傳播損失圖和聲線(xiàn)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(jì)算的聲傳播損失圖和聲線(xiàn)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(jì)算的聲傳播損失圖和聲線(xiàn)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(jì)算的聲傳播損失圖和聲線(xiàn)傳播圖。

3.6 仿真結(jié)果分析

根據(jù)不同海底地形條件下的仿真結(jié)果，經(jīng)分析后，得出結(jié)論：在近距離上會(huì)聚區(qū)主要是波導(dǎo)聲線(xiàn)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(huì)聚區(qū)主要是由經(jīng)海底反射后的聲線(xiàn)形成的，但是隨著聲線(xiàn)不斷的與海底接觸，傳播損失也越來(lái)越大，會(huì)聚區(qū)與影區(qū)的間距也越來(lái)越小，因此會(huì)聚區(qū)的增益也降低。同時(shí)，在受到海底反射后的聲線(xiàn)，其傳播路徑也發(fā)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(jù)圖3，可知海山型海底對(duì)聲傳播的影響比較大，主要體現(xiàn)在：聲線(xiàn)在海山的前側(cè)以及頂部形成一個(gè)很明顯的會(huì)聚區(qū)，這個(gè)會(huì)聚區(qū)的增益比較大。而聲線(xiàn)在經(jīng)過(guò)海山頂部后，聲線(xiàn)的傳播路徑變得不規(guī)則，沒(méi)有明顯的會(huì)聚區(qū)，傳播損失也變得比較大。根據(jù)圖5可知，階梯型海底對(duì)聲傳播的影響類(lèi)似于海山型海底，主要體現(xiàn)在階梯對(duì)聲線(xiàn)的不斷反射使聲線(xiàn)傳播路徑發(fā)生不規(guī)則的改變，并且加大傳播損失。

（2）根據(jù)圖4，斜坡型海底對(duì)聲傳播的影響主要也體現(xiàn)在深度不斷減小的海底對(duì)聲線(xiàn)的反射作用。隨著深度的減小，經(jīng)過(guò)海底反射的聲線(xiàn)不斷形成會(huì)聚區(qū)，并且會(huì)聚區(qū)距離較近，同時(shí)也加劇了傳播損失，但是這個(gè)會(huì)聚區(qū)與平坦型海底下的聲傳播會(huì)聚區(qū)有較大的區(qū)別。

（3）根據(jù)圖5，海溝型海底對(duì)聲傳播的影響主要體現(xiàn)在：經(jīng)海溝兩側(cè)反射后的部分聲線(xiàn)的不規(guī)則傳播以及傳播損失的增大。

4 結(jié)束語(yǔ)

海底地形是在進(jìn)行水下聲傳播仿真與研究中不可忽略的環(huán)境因素。海底對(duì)聲線(xiàn)的反射作用對(duì)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(jié)果得分析可知，不同的海底地形對(duì)聲傳播具有不同的作用與影響。不僅聲傳播路徑發(fā)生明顯變化，傳播損失也發(fā)生較大改變。其中，海山型海底和階梯型海底對(duì)聲傳播的影響最大，海溝型海底次之，斜坡型海底對(duì)聲傳播的影響最小。這必將會(huì)對(duì)利用聲波進(jìn)行探測(cè)和定位產(chǎn)生非常大的影響。本文實(shí)現(xiàn)了基于射線(xiàn)理論模型的四種典型海底地形下的聲傳播規(guī)律仿真，可為實(shí)際海洋環(huán)境下的水下信息傳輸研究提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]樸勝春，黃益旺，楊士羲.水聲傳播中射線(xiàn)聲學(xué)方法的應(yīng)用[Z].中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)2005年青年學(xué)術(shù)會(huì)，2005.

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

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

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

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