浅海起伏海面下考虑气泡混合层影响的声传播计算方法

技术领域

本发明涉及水声物理领域，具体涉及浅海起伏海面下考虑气泡混合层影响的声传播计算方法。

背景技术

声传播问题一直是水声工作者们研究的热点和难点，而海面作为海洋波导的上边界，对声传播有着重要的影响,对于没有风浪影响的平整海面，通常认为是一个绝对软的理想边界，对水下入射声波有良好的反射作用，几乎没有边界反射损失。但遗憾的是由于海面风浪的影响，海面经常是起伏不平整的，粗糙的海面边界对入射声波既有反射也有散射作用，会造成海面反射损失；在过去的几十年里，关于风浪引起的起伏海面下的声传播研究工作已经取得了一定进展。

传统的起伏海面下的声传播模型有简正波模型(Krakenc)、抛物模型(Ramsurf)等，其中抛物模型可通过蒙特卡洛方法生成一维起伏海面作为模型的海面参数输入，最后实现的结果是可以进行起伏海面下的声传播计算，但是没有考虑由于风浪搅拌引起的近海面的气泡混合层对声传播的影响。

在实际情况中，大风浪在引起不平整海面的同时，大风浪的搅动也会形成近海面的气泡混合层，气泡混合层不但对声波具有散射和吸收的作用，还会改变原有的声速剖面结构，也从不同程度上影响着声传播。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，在抛物模型的基础上提供一种起伏海面下考虑气泡混合层影响的声传播计算方法，该方法适合于大风浪天气时的声传播计算，全面考虑了大风浪下起伏海面和近海面气泡混合层两种因素对声传播的影响，提高了声传播计算的精度。

为实现上述发明目的，本发明提出了一种浅海起伏海面下考虑气泡混合层影响的声传播计算方法，所述方法包括：

通过蒙特卡洛方法生成一维起伏海面，得到海面参数；

对不含气泡层的水中声速剖面进行修正，得到声速剖面参数；

计算气泡混合层因散射吸收引起的衰减系数，得到吸收衰减参数；

对气泡混合层进行水平非均匀处理，在深度上修正声速剖面参数和吸收衰减参数，得到与海面具有一致起伏性的气泡混合层；

将所述海面参数、修正后的声速剖面参数和修正后的吸收衰减参数写入输入文件，然后输入抛物模型，输出声场数据。

作为上述方法的一种改进，所述通过蒙特卡洛方法生成一维起伏海面，得到海面参数，具体包括：

步骤1-1)计算粗糙海面的功率谱密度S(k

其中，a

步骤1-2)利用蒙特卡洛仿真生成波数谱F(k

其中，Δk为谱域相邻的谐波样本的空间波数差；N(0,1)表示均值为0，方差为1的正态分布的随机数；当j＞0时，F(k

步骤1-3)对F(k

其中，x

步骤1-4)所述一维起伏海面为(x

作为上述方法的一种改进，所述对不含气泡层的水中声速剖面进行修正，得到声速剖面参数，具体包括：

若气泡半径大小在10μm到1000μm之间，则气泡群的分布函数为：

其中，a为气泡的半径，z为水深，v

其中：a

含气泡层的水中声速的修正方法为：

其中，c

其中，a

所述声速剖面参数为：(z，c

作为上述方法的一种改进，所述计算气泡混合层因散射吸收引起的衰减系数，得到吸收衰减参数；具体包括：

计算气泡混合层因散射吸收引起的衰减系数α

其中，Y＝f

作为上述方法的一种改进，所述对气泡混合层进行水平非均匀处理，在深度上修正声速剖面参数和吸收衰减参数，得到与海面具有一致起伏性的气泡混合层；具体为：

对所述声速剖面参数(z，c

作为上述方法的一种改进，所述将所述海面参数、修正后的声速剖面参数和修正后的吸收衰减参数写入输入文件，然后输入抛物模型，输出声场数据，具体为：

将海面参数(x

修正后的声速剖面参数(z+f(x

和修正后的吸收衰减参数(z+f(x

写入到抛物声场模型Ramsurf的输入文件中，输出声场数据。

本发明的优势在于：

1、本发明的方法全面考虑大风浪下起伏海面和气泡混合层对声传播的影响，为大风浪天气时的浅海声场预报提供了算法模型支撑；

2、本发明提出的起伏海面下考虑气泡混合层影响的声传播计算方法可弥补已有的传统的起伏海面下的声传播计算方法没有考虑气泡混合层因素的不足，更加全面的考虑了海面风浪对声传播的影响。

附图说明

图1是大风浪下的起伏海面和气泡混合层示意图；

图2是含气泡混合层的水中声速的修正图；

图3是含气泡混合层的水中衰减系数；

图4是风速为10m/s时的声传播损失曲线；

图5是风速为13m/s时的声传播损失曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明通过蒙特卡洛方法生成一维起伏海面作为模型的海面参数，计算气泡混合层因散射吸收引起的衰减系数作为模型的吸收衰减参数，对不含气泡层的水中声速剖面进行修正作为模型的声速剖面参数。

本发明的声传播计算方法包括生成一维起伏海面、气泡混合层引起的声波衰减系数计算、气泡混合层的声速剖面修正、对气泡混合层的水平非均匀处理及输入抛物模型得到声场五个步骤：

步骤1)一维起伏海面的生成：

利用蒙特卡洛方法产生PM谱一维起伏海面。

起伏表面被认为是由大量的谐波叠加而成，谐波的振幅是独立的高斯随机变量，其方差正比于特定波数的功率谱S(k

其中，x

其中，定义离散波数k

PM谱的功率谱密度为：

步骤2)气泡混合层的声速剖面修正

气泡群模型采用Hall-Novarini(HN)气泡群模型中，假设气泡半径大小在10μm到1000μm之间，气泡群的分布函数为：

其中，a为气泡的半径，z为水深，v

含气泡层的水中声速的修正方法为：

其中c

其中，a

所述声速剖面参数为：(z，c

步骤3)气泡混合层引起的声波衰减系数计算

水中气泡对声能量具有散射和吸收的作用，引起声能量的衰减。衰减系数的计算方法为：

其中，Y＝f

所述吸收衰减参数为(z，α

步骤4)气泡混合层的水平非均匀处理

如图1所示，由于海表面是起伏的，气泡混合层在水平方向也是不平整的，是水平非均匀的。因此，需要对气泡层进行水平非均匀处理：在竖直方向上，将气泡混合层做一个竖直位移，这个竖直位移量相当于起伏海面相对于海平面的位移。

在第n个采样点x

得到修正后的声速剖面参数(z+f(x

气泡混合层的水平非均匀处理体现在模型的输入文件中，是声速剖面的水平非均匀性和吸收衰减系数的水平非均匀性。

步骤5)所述将海面参数(x

将以上输入文件作为抛物声场模型Ramsurf的输入文件，运行Ramsurf，可得到浅海起伏海面下考虑气泡混合层影响的声场数据

抛物声场模型Ramsurf是一种起伏海面下的声场计算模型，其输入文件的格式为：

文件名字

声场频率参数、发射深度参数、接收深度参数

计算上的水平参数：包括计算最大水平距离、水平步长、水平输出步长

计算上的深度参数：包括计算最大深度、深度步长、深度输出步长、最大海深

参考声速，培德逼近阶,稳定性控制系数，稳定性控制距离

起伏海面参数

起伏海面参数结束标志：-1-1

海底地形参数

海底地形参数结束标志：-1-1

声速剖面参数(z+f(0)-min(f(0))，c

声速剖面参数结束标志：-1-1

气泡引起的吸收衰减系数(z+f(0)-min(f(0))，α

气泡引起的吸收衰减系数结束标志：-1-1

海底参数包括：海底声速、海底密度、海底衰减。

Δx

声速剖面参数(z+f(Δx)-min(f(Δx))，c

声速剖面参数结束标志：-1-1

气泡引起的吸收衰减系数(z+f(Δx)-min(f(Δx))，α

气泡引起的吸收衰减系数结束标志：-1-1

海底参数包括：海底声速、海底密度、海底衰减。

海底参数结束标志：-1-1

2*Δx

声速剖面参数(z+f(2*Δx)-min(f(2*Δx))，c

声速剖面参数结束标志：-1-1

气泡引起的吸收衰减系数(z+f(2Δx)-min(f(2Δx))，α

气泡引起的吸收衰减系数结束标志：-1-1

海底参数包括：海底声速、海底密度、海底衰减

海底参数结束标志：-1-1

3*Δx

声速剖面参数(z+f(3Δx)-min(f(3Δx))，c

声速剖面参数结束标志：-1-1

气泡引起的吸收衰减系数(z+f(3Δx)-min(f(3Δx))，α

气泡引起的吸收衰减系数结束标志：-1-1

海底参数包括：海底声速、海底密度、海底衰减

海底参数结束标志：-1-1

●

●

●

M*Δx

声速剖面参数(z+f(MΔx)-min(f(MΔx))，c

声速剖面参数结束标志：-1-1

气泡引起的吸收衰减系数(z+f(MΔx)-min(f(MΔx))，α

气泡引起的吸收衰减系数结束标志：-1-1

海底参数包括：海底声速、海底密度、海底衰减

海底参数结束标志：-1-1

实例：

水深为80m的水声环境中，声源深度为20m,接收深度为20m。不含气泡的水中声速为1500m/s等声速剖面，经过(5)式修正的声速剖面如图2所示，通过(6)式计算得到的吸收衰减剖面如图3所示。

将气泡混合层做水平非均匀处理，使得气泡层呈现同海面一致的起伏性，如图1所示；在输入文件中体现声速剖面的水平非均匀性和吸收衰减系数的水平非均匀性。每一次蒙特卡洛产生一个随机起伏海面，计算这个起伏海面相对于海平面的竖直位移h(r)，在此基础上对修正后的声速剖面和吸收衰减系数做一个相同的竖直位移h(r)，即对气泡混合层进行水平非均匀处理。计算中心频率为3kHz、带宽为三分之一倍频程带宽的传播损失曲线，频率间隔为10Hz。对每个频率进行50次蒙特卡洛方法的平均。

图4为平滑海面下(风速为0m/s)的传播损失曲线和风速为10m/s下的传播损失曲线对比图；图5为平滑海面下的传播损失曲线和风速为13m/s下的传播损失曲线对比图。在水平距离10km处，风速为10m/s时的传播损失比风速为0m/s时的传播损失大10dB；在水平距离10km处，风速为13m/s时的传播损失比风速为0m/s时的传播损失大12dB。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。