萬 駿

（三峽大學(xué) 湖北 宜昌 443003）

1 引言

當(dāng)聲音在淺海中進行傳播時，淺海中的介質(zhì)會引起聲音與聲音周圍邊界的非均勻聲散射，散射反向性的聲波會與聲源的接收器聲音產(chǎn)生疊加形成混響，散射的聲波會釋放能量引起接收信號聲波幅度發(fā)生較大波動，頻率產(chǎn)生非均勻變化。聲波受淺海影響會出現(xiàn)多段短聲波多途到達接收器，使得接受聲波在相位關(guān)系上存在著隨機性變化，因此會出現(xiàn)在同一淺海位置不同時間發(fā)出聲源，接受點回收信號會隨著時間發(fā)生不規(guī)則變化的現(xiàn)象。

接收點接受信號之所以會發(fā)生隨時間不規(guī)律變化很大程度上是受到了內(nèi)波動等淺海海洋動力的影響。本文將進行公式推導(dǎo)與數(shù)值仿真兩種方式進行對于淺海聲場相干特性的研究，在仿真方面通過對于2014年南海海域中存在的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)進行仿真，在公式推導(dǎo)方面進行對于空氣聲源聲場相干特性分析與淺海聲源聲場相干分析共同進行，并尋找兩者的相干特性。

2 縱向水平相關(guān)簡正波計算

空氣與海水間存在比較大的聲阻，這就會導(dǎo)致聲源從水下發(fā)出聲波時，會發(fā)生某一點聲壓的數(shù)值正好是0的點，那就是軟邊界點。在現(xiàn)實中這一軟邊界的點存在在空氣與海水分割面上，根據(jù)簡正波的理論可以得出，位于水下的聲場可以利用下列方式來表達：

在這個公式中，H代表著海深程度，聲源深度用z來表示，其中的漢克爾第一類函數(shù)使用H0來代替的，在遠場中漢克爾函數(shù)還有一種近似表達式：

同時還有第二種可能就是聲源來源方式不同，當(dāng)生源不是來自于淺海中而是存在空氣中時，就要進行對于聲音投射關(guān)系進行研究，第一種情況中的軟邊界就不存在了，取而代之的是從靜止空氣中將聲音傳遞到均勻介質(zhì)的淺海內(nèi)部，位于空氣中的聲源與空氣淺海分界點相距為h，淺海海深H，根據(jù)簡正波公式可以推導(dǎo)出：

在公式中當(dāng)z取值為0的時候，是公式一次微分z方向的值，根據(jù)一式與三式的對比可以得出，無論聲源的位置位于空氣中還是位于水中，對于相對同一位置的水下聲場來說，兩個公式中簡正波所對應(yīng)的第N階簡正波時不變的，發(fā)生改變的只有每一號簡正波中存在的簡正波激發(fā)系數(shù)，即：

3 數(shù)值仿真

在計算中通過公式證明了空氣中進行的聲源發(fā)聲接受與淺海中進行的聲源發(fā)聲接受水平縱向相關(guān)特征是相對一致的，但是要進一步證明這一觀點，需要進行數(shù)值仿真實驗。仿真需要兩個聲源S與A，S是位于空氣中的，而A是位于淺海中的聲源，R作為接收器放置在海域深處，其中的參數(shù)設(shè)置與環(huán)境模型如圖1所示。

圖1 環(huán)境參數(shù)與環(huán)境模型

數(shù)據(jù)模擬的是在2014年5月份南海海域進行的一次真實實驗采集到的空氣聲實驗測量值。根據(jù)具體情況分析對于聲源的頻率采取125～131Hz，聲源深度采取四個方位，分別是-4.1m，-10.0m，4.1m與10.0m四個對應(yīng)位置。模擬仿真使用軟件程序KrakenC進行對于聲源產(chǎn)生聲壓的計算，選取某一具體距離r當(dāng)做統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對于數(shù)據(jù)進行對于逆傅里葉變換并從中取得時域聲壓，對于淺海下聲場的相關(guān)系數(shù)水平縱向的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 實驗淺海接受聲速

圖中以4.5km作為標(biāo)準(zhǔn)距離，圖中的曲線代表著相對不同的深度中，淺海下聲場相關(guān)系數(shù)水平縱向取值，進行對于數(shù)值對比會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)淺海中接受器與聲源的位置相對固定的時候，變化的聲源深度基本并不會影響到相關(guān)系數(shù)水平縱向，這也在另一個方面上證明了，空氣中的聲源與淺海中的聲源對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)水平縱向周期是并不會因為聲源位置發(fā)生改變的，這與之前得出的結(jié)論是相同的。

觀察數(shù)值變化幅度會發(fā)現(xiàn)，在-4.1m到-10.0m所對應(yīng)數(shù)值的變化幅度相對比較小，但是當(dāng)聲源深度在4.1m～10.0m之間，也就是當(dāng)聲源存在在空氣中的時候，數(shù)值幅度會變得相對較大，前后兩段幅度變化差距較大。通過上面公式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲源位置在空氣中時，選取的淺海中對應(yīng)有效聲源相關(guān)系數(shù)中的沒有發(fā)生變化的，所以當(dāng)公式中其他參數(shù)發(fā)生變化時，對于結(jié)果產(chǎn)生的波動較大，所以才會出現(xiàn)圖中的數(shù)值較大波動。

4 結(jié)語

我國國防中一大重要研究主題就是水聲通信工程，這一項目也越來越多的應(yīng)用在了海洋環(huán)境保護研究方面、海洋資源開發(fā)研究方面以及海洋數(shù)據(jù)收集研究方面，本文將海洋干擾通過數(shù)據(jù)公式形式展現(xiàn)出來，相對全面的展示了在淺海內(nèi)力干擾下海洋聲波傳播損失與補充數(shù)值，相對具體的分析了海洋聲波波動頻率轉(zhuǎn)變方式與數(shù)據(jù)。通過公式的帶入與數(shù)值的仿真，本文得出了兩個結(jié)論：

（1）通過對于南海海域淺?？諝饴暦抡鏀?shù)據(jù)得出，當(dāng)以128Hz作為標(biāo)準(zhǔn)聲源頻率時，無論聲源存在的深度時空氣還是淺海，接收到的相關(guān)系數(shù)水平縱向結(jié)構(gòu)都是相同的；

（2）通過對于公式分析與簡正波理論推導(dǎo)，延伸出了在空氣中聲源傳遞聲音與在淺海中聲源傳遞聲音的數(shù)字表達式。

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