（水声工程专业论文）三维环境海洋混响强度衰减规律研究.pdf

a b s t r a c t o c e a n i cr e v e r b e r a t i o ni so n eo ft h ef i e m e s ti n t e r f e r e n c et ot h es o n a r , a n di t c o n t a i n sal o to fi n f o r m m i o no ft h eo c e a n s or e s e a r c h e sa b o u to c e a n i c r e v e r b e r a t i o ni sm e a n i n g f u l a v e r a g ei n t e n s i t yi so n eo ft h ep h y s i c a lp a r a m e t e r s w h i c ha r eu s e dt od e s c r i b em eo c e a n i cr e v e r b e r a t i o na n dt l l er e s e a r c h e sa b o u ti t h a db e e nc a r r i e do u tal o n gt i m eb e f o r e ，b u tn o tt h o r o u g h l yy e t i nt h i st h e s i s ， s o m eu s e f u lt e c h n i q u e sf o ra v e r a g er e v e r b e r a t i o ni n t e n s i t yd e c a y i n ga r cg i v e n b a s i n go i lt h ew o r kw h i c hh a v eb e e nd o n eb yo t h e rr e s e a r c h e r s w h e nw ec a l c u l a t e so c e a n i cr e v e r b e r a t i o n ，t h ef o r m u l ai sm o r ec o m p l e x e ri f w ec o n s i d e r sa l lm u l t i - p a t h b u ti nf a c t ，s o m eo ft h em u l t i - p a tc a nb en e g l e c t e d b e c a u s et h e i rp r o f f e ri sn o te n o u g ht ot h ei n t e n s i t yo ft h eo c e a n i cr e v e r b e r a t i o n b a s e do nr a yt h e o r y , w ef i r s ti n d u c et h ef o r m u l a , w h i c hi su s e dt oc u l c u l a t et h e a v e r a g ei n t e n s i t yo f t h eb e n t h a lr e v e r b e r a t i o nf r o md i f f e r e n tm u l t i - p a t hs o u n d - r a y s a n do nt h eb a s i so fn u m e r i ce a l c u l a t i o n s ，w ec o m p a r et h er e l a t i v ei n t e n s i t i e so f t h eb e n t h a lr e v e r b e r a t i o n so fd i f f e r e n ts o u n d - r a y sa n da n a l y z et h e i rd i f f e r e n t c o n t r i b u t i o n st ot h et o t a lr e v e r b e r a t i o n t h e r e f o r e ，w ec a nc o n s i d e r so n l yf o u r t h m u l t i p a t ha n dw ec a ng e tt h ei n t e n s i t yo ft h eo c e a n i cr e v e r b e r a t i o nm o r e v e r a c i o u s e n s e c o n d ，t h ef o r m u l af o ra v e r a g ei n t e n s i t yo fo c e a nr e v e r b e r a t i o ni sd e d u c e d o nt h eb a s i so fr a yt h e o r yf o rm o n o s t a t i cc a $ e ，t h e ni ti sp r o v e db yc o m p u t e r s i m u l a t i o n i ti so b v i o u st h a tt h ed e c a y i n gr u l eo fa v e r a g er e v e r b e r a t i o ni n t e n s i t y i sa f f e c t e db ys c a t t e r i n gc o e f f i c i e n to fs e af l o o r ，s o u n ds p e e dp r o f i l e ，i n c l i n a t i o no f b o t t o me t c 1 1 l es e af l o o rs c a t t e r i n gf u n c t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rt ot h e i n t e n s i t yd e c a y i n gr u l e n es o u n ds p e e dp r o f i l ei sa n o t h e ri m p o r t a n tf a c t o r a n d t h eo t h e rf a c t o rt ot h er e v e r b e r a t i o ni n t e n s i t yd e c a y i n gi ss e af l o o ri n c l i n a t i o n ，t h e g r e a t e rt h es l o p ea n g l e ，t h es l o w e rr e v e r b e r a t i o ni n t e n s i t yd e c a y 一 堕玺堡三堡盔耋堡圭鲨篁吝。，。 ； a tl a s t , t h ea v e r a g ei n t e n s i t yo fr e v e r b e r a t i o nf o rb i s t a t i e c a s eh a db e e n d e d u c e d t h eb i s t a t i ca v e r a g ei n t e n s i t yf i r s t l yr i s e sw i t ht i m et oa t o pp o i n t t h e ni t g o e sd o w n t h eg r e a t e rt h es c a t t e r i n gt o e 垴c i e n to fs e a f l o o r , t h es m a l l e r r e v e r b e r a t i o ni n t e n s i t y c o m p a r i n gt ot h ed a t ao fe x p e r i m e n _ t s ，t h em o d e lo ft h e b i s t a t i cr e v e r b e r a t i o nc r nb ef o r e c a s t e di n t e n s i t yo f t h eo c e a n i cr e v e r b e r a t i o n k e y w o r d s ：o c e a n i c r e v e r b e r a t i o n ，a v e r a g ei n t e n s i t y , r a yt h e o r y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 哈尔滨i ：程人学硕十学位论文 1 1 混响的概念 第1 章绪论 海洋中存在大量的散射体，诸如大大小小的海洋生物、泥砂粒子、气泡、 水中温度局部不均匀性所造成的冷热水团等。另外，不平整的海面和海底， 既是声波的反射体，也是声波的散射体。所有这些散射体，构成了实际海洋 中的不均匀性形成了介质物理特性的不连续性，因而，当声波投射到这种不 均匀性介质上时，就会产生散射过程。这时，一部分入射声能继续按原来的 方向传播，而另一部分声能则向四周散射，形成散射声场。海洋中的不均匀 性是大量的，它们的散射波在接收点上的总和构成所谓的混响场。混响信号 紧跟在发射信号之后，听起来，它象一阵长的，随时间衰减的颤动着的声响。 因此，混响就是存在于海洋中的大量的无规散射体对入射声信号产生的散射 波信号在接收点迭加而形成的。 1 2 混晌的分类 由于海洋中的散射体是各种各样的，它们对声波的散射也各不相同，下 面我们首先介绍几种常用的混响分类方法。 根据不同海区一般可以将混响分为深海混响与浅海混响。在深海中的混 响计算相对成熟，目前已有一些计算程序，如r a s p ( 1 9 8 4 ) 、g e n e r i cs o n a r m o d e l ( 1 9 8 5 ) 。1 及m o c c a s i n ( 1 9 9 0 ) 。1 等。这些模型都是基于射线理论，在浅海 中使用有一定限制。在浅海中，对于较平静的海面或负梯度海水声速剖面在 哈尔滨工程大学硕士学位论文 估算混响时往往只需要考虑海底散射而忽略海面和体积散射的影响。目前主 要有射线简正波混响理论“6 1 、p e 方法“1 3 及射线理论“1 。 根据海洋中产生混响散射源的不同可将混响分为体积混响、海面混响与 海底混响。散射体存在于海水本身或体积之中，如海水中的流砂粒子、海洋 生物、海水本身的不均匀性、大的鱼群等，它们引起的混响称为体积混响。 海面的不平整性和海浪形成的气泡层对声波的散射所形成的混响称为海面混 响。海底及其附近的散射体所形成的混响称为海底混响。对于后面二种混响， 由于散射体的分布是二维的，在分析上可以一起作为界面混响来考虑。 根据产生混响的散射体与声源、接收水听器的距离可以将混响分为近场 混响和远场混晌。近场混晌与远场混响划分的主要意义在于混响数值模型的 建立。 由声源与接收水听器的位置情况可将混响分为收发合置混响与收发分置 混响。1 。当声源与水昕器布放在一起时，水听器接收到的混响称着收发合置 混响；否则称着收发分置混响。 1 3 海洋混晌研究的概况 对混响的研究，早先的工作“”“1 ，主要从能量观点出发寻求混响的平均 强度所遵循的规律；随着水声信道匹配理论的发展，要求对各种调制信号的 混响场的概率分布、相关特性、能量谱等进行深入的研究，为声纳设计师们 提供有用的数据。因此，混响统计特性的研究也越来越受到人们的重视；随 着反演理论的发展与逐渐成熟，利用混响强度与其相关特性反演海洋与海底 各种特性是近来国内外有关海洋混响研究的主要方向之一；最近，随着非线 性动力学的发展，混沌现象成为各领域研究的一个热点。对表面看似随机的 混响信号进行非线性动力学建模，并找出其中的内在规律与本质也成为当今 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 海洋混响研究的一个全新的方向。 浅海混响一般主要由海底散射引起，对于比较平静的海面或负梯度海水 声速剖面在估算混响时往往只需要考虑海底散射而忽略海面和体积散射的影 响。分层介质情况下浅海混响由于多途引起的复杂性宜用简正波方法计算。 在计算浅海近场混响时，因不需考虑多途效应，用射线理论就显得简单有效 而方便实用。在计算浅海远程混响时，用简正波方法计算会更精确。因此中 国科学院声学研究所张仁和院士领导的课题组提出用来计算海洋混响的射线 一简正波理论。 在过去的几十年中，中低频主动声纳又重新成为了水声界的热点，尤其 最近十来年这种热点转到了浅海、高频的情况“。而混响则经常严重影响这 种声纳系统的性能，因此有必要继续研究引起散射的机理及混响的各种特性。 本文就是基于上述考虑，而在前人工作的基础上对浅海混响平均强度进行一 些研究。 1 4 本文的主要内容 本文的主要分为以下六个部分： 第l 章：绪论。介绍海洋混响的基本概念、基本的分类以及研究概况。 第2 章：介绍射线声学的理论基础以及本文中用到的一些常用的公式。 第3 章：验证了在简单海洋环境下，计算海底混响强度时可以忽略海底 二次散射对海洋混响强度的影响，而仅有限条声线就可以计算出较准确的海 洋混响强度。 第4 章：介绍了在海洋环境参数变化时，收发合置混响强度的衰减规律， 并在此基础上，编写一个人机对话友好，用于计算不同海洋环境参数下海底 混响强度衰减规律的程序。 第5 章：介绍了简单海洋环境参数下的收发分置混响强度的衰减规律， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 并验证这一简单模型在特定海域预报混响强度的准确性。 第6 章：对全文进行总结。 以上六章是全文的主体部分，其中第3 章、第4 章和第5 章是本文的重 点。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章射线声学基础 射线声学是发展最早，也是数学上最简单、物理上最直观的声场分析方 法。它是波动声学在高频条件下的近似。它把声波的传播看作是沿一束无数 条垂直于等相位面的射线的传播，每一条射线与等相位面垂直，称为声线。 声线途经的距离代表波传播的路程，声线经历的时间为波传播的时间。声线 束管所携带的能量即为波传播的声能量。在水声物理中，射线声学是经常运 用的一种处理问题的方法，声线不代表波动方程的精确解，它代表在一定条 件限制下波动方程的近似解。 2 1 射线声学基本方程 考虑f 列波动方程： v 2 p 一吉，警= 。 c z - ， 其中：声压p = p ( x ，y 忍t 1 声速f = c g ，y ，z ) 假设有如下的形式解存在 p g ，y ，刁，) = 4 g ，y ，三) e a 。廿“。 饨( 。，) 】 = 爿g ，y ，z ) p 7 瞄一b 9 扛“2 ” ( 2 2 ) 其中：a 为声压振幅，是坐标的函数 伊( x ，y ，z ) = n ( x ；y ，z ) n ( 工，y ，z ) 为长度量纲，称为声程函数 七为波数，七2 詈面；c 厕o c 0 为参考点声压 n g ，y ，z ) 为折射率 ( 2 - 2 ) 式代入波动方程( 2 - 1 ) 得： t v2 a 一2 v 川p + ( 手，昙降唧p = 。 令其实部和虚部都等于零，则有 乎叫2 v 妒嘶榭= o ( 2 _ 3 ) + - - 一2v a v 妒2 0 ( 2 4 ) 当v2 a a k2 时，式( 2 - 3 ) 可以近似化成 2 = ( 钉崭的，z ) 浯s ， ( 2 5 ) 式是射线声学的第一个基本方程程函方程 ( 2 4 ) 式是射线声学的第二个基本方程强度方程 程函方程不仅给出声线方向，而且可以导出声线的轨迹和传播时间，程 函的梯度v 妒g ，y ，z ) 代表着声线的方向。 声强度，定义为单位时间内通过垂直于声波传播方向上单位面积的平均 能量。强度方程经过简单推导可知声强度矢量i 的散度为零，即说明了射线 声学中的声强度矢量为一管量场，所以声能不会通过束管旁边的侧面向外扩 散。同时声能沿声线束管传播时，声线束管截面积s 越大，声能越分散，声 强值越小；截面积越小，声能越集中，声强度值会越大，因而，声强度，与 声线束管截面积成反比。计算声强的基本公式为： 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 盹班薜 其中：形代表单位立体角内的辐射声功率，r 为水平距离 为初始掠射角，口：为观测点p ，z ) 的掠射角 2 2 分层介质中的射线声学 ( 2 - 6 ) 海水介质的垂直分层特性，即声速( 折射率) 不随水平方向变化，仅是 海水深度的函数。除了超远程声传播问题外，海水介质的分层模型是对实际 海洋介质的一种接近的理想模型。 图2 1 声速梯度与声线弯曲图 如图2 1 负声速梯度下的声线：在恒定声速梯度日情况下，同一条声线 的曲率处处相等，轨迹是圆弧。 2 2 一声线轨迹方程 设恒定声速梯度c = ( 1 + 口- z ) ，若声线在海面以任意掠射角铴出射，则 。堕玺鋈三堡盔兰型兰堡丝苎。 。； 该声线的曲率半径等于： r 制- j 矗剥志j ， 于是其声线轨迹满足方程： ( x 一半) 2 + ) 2 = ( 志 2 s ， 2 2 2 声线经过的水平距离 若声源位于，= 0 ，z = 处，接收点位于p ，z ) 点处，声速按 c = c 。( 1 + a z ) 分布，可以从下列积分求出声线经过的水平距离。 x = 忙= 南= c o s ( z o 丽毒露 。， 2 2 3 声线传播时间 声速因深度而异，声线经过微元出距离所需要的时间d t ：出c ，声线从 毛深度传播到z 深度所需要的时间等于： ，= 辟2 旆气1 批z f ：阱n ! ( z 品) d z 雨 2 2 4 线性分层介质中的声强 利用s n e l l 定律和一些简单推导可得在单层线性分层介质中，声线不过反 转点时，计算声强的基本公式( 2 6 ) 可化简为： ，：! ：罢：鱼( 2 - 1 1 ) ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 同理可得：多层线性分层介质中的声强 ，2 二冱互w , c 【o s 口。工 1 2 ) c o s t 2 o 智s i n a ，s i n 上丽两式中：为起始掠射角，口为观测点深度z 处的掠射角，口，和口。+ 分别为声线进入和离开第i 层介质的声线掠射角，缸为声线经过第i 层介质 的水平距离，为声源到观测点经过的水平距离，为单位立体角的发射功 率。 以上是射线声学的几个常用基本公式，是本文的理论基础。 2 3 射线声学应用条件 在推导程函方程时，假设了v 2 a a 兰霉葛芒一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上图中的a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 八幅子图分别表示声线( 一) 到声线 ( 八) 的混响强度随时间变化的曲线。前四类声线的混响强度都比后四类声 线的混响强度大4 0 d b 左右。 为了能更清楚的体现这种强度差距，把前四类声线的混响强度累加和全 部八类声线的混响强度累加进行比较，结果见图3 1 8 。 图3 1 8 图中的a 子图是声线( 一) 到声线( 四) 这四类声线的总混响强度随时 间变化曲线图，b 子图是声线( 一) 到声线( 八) 这八类声线的总混响强度 随时间变化曲线图。从图中可以看出，两幅子图的曲线变化规律几乎完全一 致，也就是说，后四条声线对总的混响强度的贡献不大，并且后类条声响在 计算过程中所需的时间远比前四类声线长的多，所以，在以后的计算过程中 就可以不必考虑后四类多途声线，只考虑前四类声线就可以得到较精确的混 一mp)寺一霉茜lu一 (日p)扫一lu 哈尔滨工程大学硕士学位论文 响强度。 3 5 本章小结 根据以上的计算结果表明：在通常的海洋环境参数下，计算浅海海洋混 响强度时，可以忽略海底的二次散射对海洋混响强度的贡献，而只需考虑海 底的一次散射对混响强度的贡献，就可以计算出较准确的海洋混晌强度，满 足工程计算的要求，以达到简化理论推导过程和节省计算时间的目的。 第4 章收发合置混响强度衰减 在计算混响过程主要包括声传播与声散射过程，因为浅海混响一般情况 下主要由海底散射引起，所以对比较平静的海面或负梯度海水声速剖面在估 算混响强度时往往只需考虑海底散射而忽略海面散射和体积散射的影响。本 章沿用第三章中为了简化理论推导而作的假设，并根据第三章得到的结论无 需考虑复杂的多途声线，以简化理论推导过程；并最终编写了一个计算混响 的界面。 4 1 模型的确立 模型的建立取自参考文献“3 1 ，设一浅海海域：海面相对平静、海底倾斜、 海水介质均匀且有负声速梯度；考虑发射换能器( 声源) 与接收水听器收发 合置的情况。假设海底倾斜角为，负声速梯度a ，海面反射系数m ，海底 散射模型盯s i n a ，- s i n “( 其中，盯为海底垂直散射系数、为声线海底入 射掠射角、口，为声线海底散射掠射角、h 为海底散射方向性指数) 。 根据第三章得到的结论，故本章只考虑四类对混响起主要贡献的声线， 它们的传播顺序分别为：r 1 ) 、声源海底水听器；( 2 ) 、t 声源海 底海面水听器；( 3 ) 、声源海面海底水听器；( 4 ) 、声 源海面海底海面水听器；模型与声线如图4 1 所示： 4 2 混响平均强度表达式的推导 。，堕玺鎏三堡盔兰壅拦鎏銮 图4 1 收发合置混响模型与声线 ( 1 ) 、声源海底水听器 根据参考文献“”的推导过程，接收点的混响强度足为 吲j 甜 oc o s z o + 再c o s 。 1 媚( 4 _ 1 )7 l 瓦j 8 m 啊7 l 面尸 其中：，= 盯s i n ( o r l 一，) s i n ”【丌一( 一，) 蠲：蒜赤嬲 彩：t 型旱一卯 c o s 2 臼+ c o s 2 口s i n 。0 ( 2 ) 、声源海底海面水听器 同理可得本类声线的混响强度马为： 。堕玺鎏三堡盔兰堡圭兰垡笙耋 耻甜 oc o s q ；f o 碉m c o s 9 27 l 瓦j s i 岫7 l 瓦j 皿岫 其中：饥= 盯s i n ( g l - r ) - s i n ”防一( 口2 - r ) 】 d s ： ! ：! ：1 2 c o s ( 口l 一，) + c o s ( 口2 一r ) c o s r 彩= 丽兀i c 忑o s 孤f l 丽c o s 。目+ c o s 2 口s i n 。目 m 为海面反射系数 ( 三) 、声源一海面海底水听器 同理可得本类声线的混响强度马为： ( 4 2 ) 弘j 甜m oc o s ；a n 4 再c o s g l 嘏 ”3 ) 其中：虮= 仃s i n ( a 2 一，) - s i n l 万一( a i 一，) 】 您，： ! ：! ：! 【c o s ( g l y ) - - i - c o s ( 口2 一r ) c o s r 彩= 磊蔗棚 ( 四) 、声源海面海底海面一水听器 同理可得本类声线的混响强度髓为： 弘茬帆磋m c o s 陋。 2 。d s 4 ( 4 _ 4 7 i 瓦j 锄7 l 瓦严嘞 其中：。= 盯s i n ( 瑾2 一y ) s i n ” 万一( 口2 一y ) c - t ， 豳2 卫c o s ( a 2 - y ) 赤d d 掰= i 矗枷 所以某一时刻r 水听器接收到的混响平均声强度 尺( ，) = r ，0 ) a 琅l ( ，) + 月2 0 ) + 玛o ) + r 4 0 ) ( 4 5 ) 4 3 数值计算与分析 假设海面平静，声源向深水区发射。数值计算过程中假设参数如下：发 射换能器的发射声强厶= 1 0 0 0 w m 2 ；海面反射系数聊= 0 9 ；声源到海底的 垂直距离日= 4 0 m ：声源到海面的垂直距离h l = 1 0 m ；声源深度的声速 c o = 1 5 0 0 m s ；发射声脉冲宽度f = o 0 0 4 m s ；海底垂直散射系数盯= o i 。 4 3 1 海底散射方向- 陛指数不同时混响强度衰减曲线分析 计算时，取海底倾斜角卢= 1 8 。，海水中声速梯度口= 一0 0 0 0 5 ，当海底散 射方向性指数珂= 1 、n = 1 5 、h = 2 0 和拧= 2 ，5 时，混响强度随时间变化曲线 如图4 2 。 由图4 2 可以看出，海底散射方向性指数一越大，其海洋混晌的强度越 小，且混响强度随时间衰减的速度越快。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图4 2 散射方向性指数不同时的混晌强度曲线 4 3 2 声速梯度不同时混响强度衰减曲线分析 计算时，取海底倾斜角= 1 8 。，散射方向性指数，= 1 5 ，当声速梯度 a = - 0 0 0 0 1 、a = - 0 0 0 0 5 、a = 一0 0 0 1 和a = 一0 0 0 1 5 时，混响强度随时间变 化曲线如图4 3 所示。 由图4 3 可知：海水声速梯度a 越大，其海洋混响强度越小。由建立的 混响模型和s n e l l 定理知，声速梯度越大，声线投射到海底的掠射角就越小， 海底散射系数也就随之减小，故混响强度也就越小。 一田p)j面c毋芒一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 00 4o60 8 m e ( s ) 图4 3 声速梯度不同时的混响强度盐线 4 3 3 海底倾斜角度不同时混晌强度衰减曲线分析 计算时，取散射方向性指数玎= 1 5 ，海水中声速梯度口= 一0 0 0 0 5 ，当倾 斜角度= 6 。、= 9 。、芦= 1 2 。和卢= 1 8 。时，混响强度随时间变化曲线如图 4 4 所示。 由图4 4 、图4 5 和图4 6 知：在0 4 s 之前，海底倾斜角度越大，混响 强度越小；在0 4 s 之后，海底倾斜角度越大，混响强度反而越大。但总的差 别不是很大，这就表明了，海底倾斜角度对混响强度的影响不是很大。如果 是在海底倾斜角度不大的情况下，可以考虑忽略海底倾斜角度的影响，以达 到在得到较准确的结果的同时简化推导和计算的复杂性，以便能在较短的时 间内更有效的计算混响强度。 珊 瑚 舶 劢 枷 舶 蜘 舶 一p)扫i。co芑一 o0 2 0 40 60 81 t i m e ( s ) 图4 4 海底倾斜角度不同时的混响强度衰减曲线 00 0 5o 1o 1 5 0 20 - 2 50 30 3 5o 4o 4 50 5 t i m 8 ( s ) 图4 5 海底倾斜角度不同时混响强度衰减局部曲线一 加 加 印 柏 一mp)#*g芑一 站 柏 帖 加 一p)奇一”glu 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f i m e ( s ) 图4 6 海底倾斜角度不同时混响强度衰减局部曲线二 4 4 计算海洋混晌强度程序的人机对话环境参数输入界面 为了能简洁明了的计算本章所建立的混响模型在不同的海洋环境参数下 的混响强度，编写了一个专门计算此混响模型的人机对话程序。程序界面示 意图如图4 7 所示。 在此界面中可以控制的海洋环境参数有：声源处的声速、海水的声速梯 度、海底倾斜角度、声源的发射声强、发射声脉冲宽度、海面的反射系数、 海底散射衰减系数、散射模型的散射方向性指数因子、声源到海面的距离、 声源到海底的距离和要求计算混响强度的时间。在输入相应的参数后，直接 点击计算键，程序开始运行并弹出一对话框，点击“计算”键 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图4 7 混响强度计算界面 程序开始计算，在计算完成后，会弹出是否保存对话框，如图4 8 所示 图4 8 是否保存对话框 保存后，点击“出图”键就会显示相应的混响强度曲线。 4 5 本章小结 对于收发合置混响，在三维海洋环境参数下，其混响强度受海底散射模 型中的散射方向性因子、海水的声速梯度和海底的倾斜角度影响。 海底散射方向性指数n 越大，其混响强度越小，其混响强度随时间衰减 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的越快，对混响强度的影响很大，因此，海底散射方向性因子玎的确定对海 洋混响强度预报的准确性有着至关重要的影响。 海水声速梯度a 越大，其海洋混晌强度越小。 海底倾斜角度越大，其混响强度开始越小，到了一时间点后，其混晌强 度也就越大，但总的来说相差不大，可见，海底倾斜角度对海洋混响强度的 影响不大。 堕鳘鎏i 王耋盔= | ：鎏圭兰售鲨 第5 章收发分置混晌强度衰减 长期以来，人们对混响的研究主要还是局限在收发合置混响的研究。这 是因为收发合置混响的研究相对于收发分置混响研究要简单的多。收发分置 混响研究从积分面积的确定到最后的计算都很繁杂。但是随着主动声纳的发 展与现实问题的需要，收发分置混响同益成为迫切需要解决的问题。本章就 是在这样的背景条件下，推导出简单海洋环境参数下的收发分置混响的平均 强度的计算公式并进行了数值计算。 5 1 模型的建立 假设海水中恒定声速为c ，海面反射系数为m ，发射声强为厶，发射信号 脉冲宽度为r ，水深为h ，声源距水面危，声源与接收水听器的距离为s ，海 底散射模型为叮s i n t z s i n ”口( 其中，仃为海底垂直散射系数、口为声线海底 入射掠射角、为声线海底散射掠射角、n 为海底散射方向性指数) 。 根据第三章的结果，只需考虑以下四类对混晌强度起主要作用的声线： ( 1 ) 、声源海底水听器；( 2 ) 、声源海底海面水听器； ( 3 ) 、声源海面海底水听器；( 4 ) 、声源海面海底 海面水听器。具体形式如下面四幅图： 图5 1 声源博底水听器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 2 声源海底海面水听器 图5 3 声源海面海底水听器 堕玺鎏三毯= | = 鎏圭耋垡鎏塞 图5 4 声源海面海底海面水听器 5 2 混响平均强度表达式的推导 ( 1 ) 、声源海底水听器 根据第三章中的推导过程可以得到本类声线的混响强度为： r 。= 虹似2 碍) 妒，d a = i 1 0 ( r 1 2 曙) 】伊s i n ( 口) s i n “( 妒) 要抒j 丽口 口 一 其中：j = ，1 e o s ( u ) c o s ( a ) + r 2 e o s ( 妒) c o s ( p ) 口：呲。i n 皇生) ，1 ( 5 1 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p ：a r c s i i l ( 堡垒) 吒 ( 2 ) 、声源海底海面水听器 同理可得本类声线的混响强度为： r ：= 卜 i o ( n 2 ( r 2 + ) 2 ) 帆d a ：，等篙产c 。r 、1 r 1 2 _ ( h - h 1 ) 2 d 口 泞2 其中：s = c o s ( o r ) c o s ( e ) + ( ，2 + r 3 ) - c o s ( p ) c o s ( ? ) ( 3 ) 、声源海面海底水听器 同理可得本类声线的混响强度为： r ，= p - i o “( ，l + r 2 ) 2 r 3 2 ) 】妒，d a = 加 一 盯s i n ( a ) s i n “( 妒) ( n + r d 2 r 3 2 气瓦葡丽a e 其中：s = ( ，1 + r 2 ) c o s ( a ) c o s ( o ) + r 3 c o s ( 妒) - c o s ( p ) ( 5 3 ) 细 一_从叫 嵋 s 爱 差善 一 k叫吒 一吩 (h、 玳 嵋 s 鳓 黼 螂 差喜 差言 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 、声源海面海底海面水听器 同理可得本类声线的混响强度为： r 4 = f m m 1 0i ( ( r l + 乇) 2 + ( + _ ) 2 ) 】y 。d a j = p 2 等黼 专甄葡习而d e 其中：j = ( + 吒) c o s ( a ) c o s ( o ) + ( _ + r 4 ) 。c o s ( g ) c o s ( p ) 所以，在接收点处接收到的总的混响是为 ( 5 - 4 ) r ( t ) = r l ( r ) + r 2 0 ) + r 3 ( f ) + r 4 ( f ) ：f 1 0 ( r 1 2 孝) 】伊s i n ( a ) s i n ( 纠i c z 打i 莉口 0 一 + p 群号厕臼 睁s ， + p 气鞘警瓜瓣口 + p 2 笨耥警瓜可石丽口 5 3 数值计算与分析 一吃 矗一吩 n n 乳 吼 言 砉主 = | i 甜 矿 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在数值计算过程中假设各参数如下：发射换能器的发射声强 厶= 1 0 0 0 w m 2 ；海面反射系数m = 0 9 ；海水深度h = 1 0 5 m ；声源到海面的 距离= 5 0 m ；接收水听器距海面的距离h ：= 4 0 m ；脉冲宽度f = 2 m s ：恒定 声速c = 1 5 0 0 m s ；声源与水昕器间的水平距离为s = 4 2 8 0 m ：海底垂直散射 系数盯= 0 2 。将上述各参数带入公式( 5 - 5 ) ，当纵= 仃- s i n ( a ) s i n ”( 妒) 中 栉= 1 0 时的混响强度随时间变化的曲线如图5 5 。 图5 5 一= 1 0 时海底混响强度曲线 当虬= 盯s i n ( a ) - s i n ”( 伊) 中，= 1 2 时的海底混响强度随时间变化的曲线 如图5 6 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 6 订= 1 2 时海底混响强度曲线 当虬= 盯s i n ( 口) s 访”( p ) 中珂= 1 5 时的海底混响强度随时间变化的曲线 为图5 7 。 图5 7 ，= 1 5 时海底混响强度曲线 (日pjjg一 1日pj喜鲁芒一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当虬= 盯s i n ( c r ) s i n “( 缈) 中胛= 2 0 时的海底混响强度随时间变化的曲线 如图5 8 。 图5 8 = 2 0 时海底混响强度曲线 当虬= 盯- s i n ( c z ) - s i n “( 伊) 中”= 2 2 时的海底混响强度随时间变化的曲线 如图5 9 。 图5 9 疗= 2 2 时海底混响强度曲线 (日pj鲁2l一 一mj一口tt 哈尔滨工程大学硕士学位论文 因此当”不同时，海底混响强度的比较如图5 1 0 。 t i m e ( s ) 图5 1 0 九不同时海底混响强度的比较图 图5 1 0 中的曲线至上而下依次为虮= 仃s i n ( o r ) s i n “( 妒) 中的”= 1 0 、 v = 1 2 、胛= 1 5 、”= 2 0 和”= 2 2 的混响强度随时问变化的曲线，从图中我 们可以得到，海底混响强度总是先增大然后随时间有规律的减小；当月的值 改变时，混响强度也随之改变，且混响强度改变的幅度较大；聆值越大，混 响的强度越小。上述表明，= 仃s i n ( = ) s i n “( 妒) 中的疗对混响强度起到了 较大的影响，且随着 值的逐渐变大，混响强度衰减的也随之变大。 5 4 实验数据处理 【丑pjllu8董 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 4 1 收发分置混晌实验概述 中、美科学家2 0 0 1 年5 月一6 月间在东中国海水域进行了“中美联合海 洋环境考察”( a s i a e x 2 0 0 1 ) 。实验海域海底平坦，水深1 0 5 m 。在收发分置混 响实验中，由中方的实验二号船投放炸弹，药量为1 0 0 0 9 ，爆炸深度为水下 5 0 m ，远处美方的m e l v i l l e 测量船接收混响声信号。本论文的数据就是取自 美方测量船接收到的混响声信号。 5 4 2 收发分置混响实验数据的选取 取混响实验中由美方m e l v i l l e 测量船上的接收水听器第五阵元接收到 的实验二号船投放的1 0 0 0 9 炸弹中的爆炸声信号进行处理。美方船上的接收 水听器阵的具体形式如下图所示： ：! ： 图5 1 l 接收水听器阵示意图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接收水听器阵由1 6 个阵元组成，第一个阵元距水面3 4 6 米，阵元间距 4 米，但是，最下方的两个接收水听器接收不到信号。 5 4 3 收发分置混晌实验数据的处理 选取的试验数据的原始数据为： 图5 1 2 原始数据图 由原始数据可以得到直达声信号到水听器的时间，以这个时间为时间零 点可以得到的新的数据为： 图5 1 3 修正后的数据 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对修正后的数据进行处理得到爆炸声信号的强度衰减的曲线图如下 t i me ( s ) 图5 1 4 爆炸声信号的强度衰减曲线 从上图中可以看到，由于接收到爆炸声信号有饱和情况，所以这一时段 的信号不可取。以直达声信号到接收水听器的时间作为时间零点，以上图标 注处作为实验数据与理论结果的比较时间，得到下图： 图5 1 5 实验数据与理论计算比较图一 4 7 伸 。 伸 加 们 一口jl一 一雹鲁一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从上图中可以看到，实验数据的强度在末端要大于理论计算的强度，这 可能是由于实验数据中包含了海洋环境噪声的缘故，为了迸一步分析，取海 洋环境噪声电信号强度的包络图为： 图5 1 6 海洋环境噪声强度包络图 更具包络图，计算海洋环境噪声电信号强度的均值为一3 2 2 d b ，与实验数 据比较知，海洋环境噪声与实验数据末端强度相差不大。将试验数据减去海 洋环境噪声后再与理论计算结果比较图如图5 1 7 。 图5 1 7 实验数据与理论计算比较图二 一。炒 一榔 一 一舢 一 榔 一 一 一缈 一 一 一 一 一m一一 (神)鲁-g 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由上图可以看出，当去掉海洋环境噪声后且n = 2 0 和疗= 2 2 时，理论计 算结果与实验数据吻合的较好，当h = 1 0 、胛= 1 2 和 = 1 5 时吻合的稍差， 但总的来说，能够反映出海底混响的衰减规律。 5 5 本章小结 对于收发分置混响，海底混晌强度总是先增大然后随时间有规律的减小； 海底散射方向性指数竹越大，混响强度越小，其混响强度随时间衰减的越快。 这和收发合置混响时得到的结论一致，可见海底散射方向性因子h 的选取对 这两种海洋混响强度预报的准确性都有着至关重要的影响。而理论结果和实 验数据的比较后，知，在某些特定的海区，本章所建立的混响模型对收发分 置混响的强度的预报是可取的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 结论 浅海近程海洋混响平均强度是描述浅海环境的一个常用物理量。很早就 有人对之进行研究，但仍有很多方面需用改进。本文首先验证了用有限条声 线计算海洋混响的有效性，进而据此导出浅海近程海洋混响平均强度的表达 式，并对之进行数值分析，从而找出影响混响平均强度的主要因素。 海底散射方向性指数因子、海水声速梯度和海底倾斜角，皆对海洋混响 平均强度的衰减有影响。海底散射方向性指数因子对其影响很大，即适当选 取海底散射模型是浅海近程混响建模的首要因素。其次，对混响强度影响较 大的另一因素是声速梯度，声速梯度越大。混响衰减越快。第三，海底倾斜 角也会影响海洋混响的衰减，海底倾斜角越大，混响平均强度衰减越慢。 对于收发分置混响，海底混响强度总是先增大然后随时间有规律的减小； 海底散射方向性指数越大，其混响强度越小，其混响强度随时间衰减的越快。 这和收发合置混响时得到的结论一致。 2 3 4 5 6 参考文献 f r a n c h i ，e r ，g r i f f i n ，j m ，a n dw o l f ，s n n r lr e v e r b e r a t i o n m o d e l ：a c o m p u t e rp r o g r a mf o rt h ep r e d i c t i o na n da n a l y s i so f m e d i u m t ol o n g r a n g eb o u n d a r yr e v e r b e r a ti o n ，”n a v a lr e s e a r c h l a b o r a t o r y ，w a s h i n g t o nd c r e p o r t8 7 2 1 ，1 9 8 4 w e i n b e r g ，h “t h eg e n e r i cs o n a rm o d e l ”n a v a lu n d e r w a t e r s y s t e m sc e n t e r n e wl o n d o n ，c t t e c h n i c a ld o c u m e n t5 9 7 1 d ，1 9 8 5 s c h n e i d e r h g “m o c c a s i n ：s o u n dp r o p a g a t i o na n ds o n a rr a n