(范文)海洋锋区声传播数值仿真研究

1、摘 要海洋锋区声传播数值仿真研究The numerical simulation of sound propagation in ocean front zone学生姓名曾志杰学号201212922229所在学院海洋与气象学院班级海洋技术1122所在专业海洋技术申请学位理学学位指导教师屈科职称讲师副指导教师职称答辩时间2015年 06月 06日ABSTRACT目 录摘 要IabstractII1引言12海洋锋的定义及其对海水声传播的影响23锋区声场仿真模型33.1海洋锋特性33.2声学计算模型简介43.3海洋锋模型64锋区声场仿真74.1海洋锋区对不同声波频率的影响74.1.1模型参数设置74

2、.1.2仿真结果及讨论85总结10鸣 谢11参考文献1212摘 要海洋锋区的海洋环境参数在水平方向和竖直方向的梯度变化对海洋声传播有重要的影响。环境参数在水平方向的梯度变化，特别是海水温度的水平梯度变化，会导致海水声速的改变。声速的变化又会引起声线结构、传播损失、传播距离的改变。本文通过建立海洋锋声场模型，应用RAM模型来研究海洋锋区声传播特性。从仿真实验中，观察到以下现象：声波穿越海洋锋后，海洋锋区会出现一个能量折射的现象，使得部分能量在原有的传播方向上发生改变；海洋锋对不同频率的声传播影响不同，在经过海洋锋区时，高频声波发生的能量折射现象比低频声波的更加强烈。 关键词：海洋锋；声传播；RA

3、M模型。ABSTRACTOcean fronts have a great effect on acoustic wave propagation for it generates horizontal and vertical inhomogeneity at sound speed, which result in significant fluctuations of sound energy. Firstly, according to the characteristics of ocean fronts, this paper used an ocean front model t

4、o simulate acoustic velocity where ocean fronts happen. Secondly, the paper utilizes RAM to produce 2D pictures of acoustic transmission loss in the area of ocean front. The following phenomena could be observed: The energy of sound wave will generate refraction when it goes through the area of ocea

5、n front. This impact on the high-frequency sound waves is more significant.KEYWORDS: ocean front; sound propagation; RAM广东海洋大学2015届本科生毕业论文海洋锋区声传播数值仿真研究海洋技术，201212922229，曾志杰指导老师：屈科1 引言声波是人类迄今为止已知唯一能够在水中远距离传播的能量形式，因其在在海水中的良好传播特性使其成为人们进行海洋研究的主要信息载体，两次世界大战的爆发促进了水声技术的发展，人们逐步认识了声波在海水中传播的机理。海洋环境各种复杂的因素都会对声

6、信号的传播产生影响。例如，潘长明等人用声学调查实测传播损失数据和UMPE（the University of Miami parabolic）模型仿真研究东海近海温跃层对水声场的影响，发现温跃层对低频声场较高频声场影响大，夏季正跃层海洋环境中传播损失随深度增加而减小，春季逆跃层海洋环境中传播损失随深度增加而增大 潘长明,高飞,孙磊,王璐华,王本洪,李璨. 浅海温跃层对水声传播损失场的影响. 哈尔滨工程大学,2014；张旭等人（2014）应用KRAKEN简正波模型对实测中层冷水环境下的声场进行计算并分析，发现声波在冷水层中传播时形成波导声场使其传播损失较常规环境明显减小 张旭,程琛,刘艳. 中层

7、冷水环境下的声场特性分析. 海洋科学进展，2014。此外，海洋环境对水声传播的影响还包括水声环境效应的不确定性，主要体现在：1、边界条件变化引起的不确定性，包括海浪、潮汐运动、大洋环流潮流等引起的海面变化和地质运动造成的海底地质、地形发生的改变； 2、海洋水体中由于某种特性引起的不确定性，如温跃层的厚度变化；3、传播过程引起的不确定性，主要包括声波在海面、海底和海水中的折射反射造成的多路径传播 笪良龙著.水声建模与仿真. 电子工业出版社, 2005:33-38。海水中的声传播速度是最重要的声学参数，是影响声在海洋中传播的最基础的物理量。在流体介质中声波是弹性纵波，它可以表示为 c=1 。其中，

8、是绝热压缩系数，是海水密度，它们都是海水温度、盐度和静压力的函数。所以，海水声速是温度T（C°）、盐度S（）和静压力P（kg/cm2）的函数，根据乌德公式c=1450+4.21T-0.037T2+1.14S-35+0.175P（1）对上式进行温度、盐度和压强求导，可得aT=cT=4.21-0,0074T ，aS=cS=1.14 ， aP=cP=0.175由此可知，温度对声速的影响最大，每升高1C°，声速变化可达到4m/s；盐度每增加1，声速增加1.14m/s；压强每增加1atm，声速仅增加0.175m/s 刘伯胜,雷家煜. 水声学原理. 哈尔滨工程大学,1986。海洋锋区的

9、诸多环境参数会发生急剧变化，这会直接影响海水的声学特性。海底、海表的不均匀性以及海水温度和盐度的铅直分层特性是引起声场起伏的重要因素，此外，气泡、冷暖水体、湍流和大洋中的浮游生物和游泳动物群等对海洋声场的变化也是实际中不可忽略的。例如，在声传播的过程中，气泡会对声波散射，其作用相当于一层屏障；冷、暖水体对会使声传播时发生折射；湍流使海水的温度、盐度产生局部变化从而引起声速的局部变化；内波与远距离传播声信号的振幅和相位有着密切关系。但在研究海洋锋区声传播时，为了简化研究问题，需要将气泡、湍流等因素忽略，把海洋锋区的温度、盐度和密度变化转化为声速的变化，建立海洋锋声场模型。通过观察海洋锋的特性，获

10、得海洋锋的重要参数如强度、尺度、位置，本文在此基础上进行数值仿真，并使用声学模型进行计算、分析结果。2 海洋锋的定义及其对海水声传播的影响在人类开发和利用海洋中，各种以声波为主的海洋探测设备相继问世，例如，声波测深仪和回声鱼探仪、ADCP、地震剖面仪、侧扫声呐。 然而作为声信息传输通道的海水介质及其边界条件存在多种非均匀性，使得声波在海水介质中的传播规律复杂多变。研究这样复杂多变的传播规律对水下探测和通信系统的设计与使用是十分必要的。海洋锋、中尺度涡旋和内波是引起海洋水平非均匀性的典型现象之一，从对声传播的影响上看，中尺度涡旋可以看做是一种特殊类型的海洋锋。海洋锋一般是指性质明显不同的两种或几

11、种水体之间的狭窄过渡带 冯士筰,李凤歧,李少菁. 海洋科学导论. 高等教育出版社,1999。根据空间分布出现阶跃的海洋环境参数的不同，可将其分为温度锋、盐度锋、密度锋、声速锋、水色锋等；从形成机制上可分为：沿岸流锋、河口羽状锋、浅水陆架锋、上升流锋和强西边界流锋；从锋生尺度的大小上可分为：行星尺度锋（如南极锋、北极锋等）、中尺度锋（陆架坡折锋）和小尺度锋（局部海域的出现的锋）。海洋锋的持续时间较短时仅数小时，较长时可达数月或更长。由于锋带附近具有强烈的水平辐合或辐散以及铅直方向的运动，因而是不稳定的，其中存在着逐渐变性的过程和尺度的弯曲 李凤歧,苏育蒿. 海洋水团分析. 青岛海洋大学出版社,2

12、001。通常情况下，海洋锋两侧会出现较大的温度、盐度梯度，表现在如下声学异常3：生物的活动频繁增强了环境噪声和体积混响，在墨西哥湾流中出现中等强锋时，其环境噪声可增大5 10 dB ；声波在通过锋区时会产生不同程度上的反射或折射，增大能量损失从而导致距离减小和观测方位产生误差。声在海洋锋区声传播时，由于水平方向上海水的温度、盐度和密度有着明显的水平梯度变化，声速在水平方向上也会有显著的梯度变化，使得声传播的方向和距离发生改变。所以海洋锋区会对声呐的探测与反探测、水下通信和水下探测应用等产生重要影响。研究海洋峰区的声传播特性，有助于海洋声传播理论更好地被完善。3 锋区声场仿真模型3.1 海洋锋特

13、性为了弄清楚海洋环境对声传播的影响，众多国内外学者开展了许多声学实验，并得出了重要的结论。Weinberg 和 Clark （1980）在实验中观察到声传播在水平方向上的折射角度可以超过1° Weinberg, N.L., Clark, J.G. Horizontal acoustic refraction through ocean mesoscale eddies and fronts. J. Acoust. Soc. Am. 68 (2), 703705. 1980。Abbot等人（2001）曾在韩国沿岸区域开展了声学实验，结果表明不同的海底界面可以导致5-20dB的声传播损失

14、，不同的声源深度可以导致5-15dB声传播损失，不同的锋面结构可以导致5dB的生传播损失 Abbot, P., Celuzza, S., Dyer, I., Gomes, Dyer, I., Gomes, B., Fulford, J., Lynch, J., Gawarkiewicz, G., Volak, D., Effects of Korean littoral environment on acoustic propagation. IEEE J. Ocean Eng.26(2),266-284.。南明星，杨廷武，风雷（2003）用海洋锋模型仿真海洋锋，使用由美国国家与大气管理局研制

15、并开发的Harpo (Hamiltonian Acoustic Ray-tracing Program for the Ocean)模型进行计算，得出了以下结论：海洋锋区会使声线发生水平偏转，水平偏转角度随着距离的增加而变大，最大值达到1.0°左右 南明星,杨廷武,丁风雷.海洋锋区的三维声线轨迹分析. 声学技术,2013年04期。他们还根据黑潮锋结构和分布特点模拟黑潮海洋锋，认为台湾黑潮锋区会对声呐定位精度产生影响。Lynch等人（2006）通过实验并得出以下结论：海洋小尺度运动（如内潮、内波）会导致5-20dB的传播损失 Lynch, J.F., Colosi, J.A., Gaw

16、arkiewicz, G.G., Duda, T.F., Pierce, A.D., Badiey, M., Katsnelson, B.G., Miller, J.E., Siegmann, W., Chiu, C.S., Newhall, A. Consideration of finescale coastal oceanography and 3-D acoustics effects for the ESME sound exposure model. IEEE J. Ocean. Eng. 31 (1), 3348. 2006。宋俊等人（2005）对我国东海浙闽沿岸锋和苏北沿岸潮生

17、锋进行声速剖面建模，采用Motal（绝热简正波）为声场计算模型，仿真计算了低频声信号（500Hz）穿越不同垂直结构、不同宽度和不同垂直结构的锋区传播损失情况，仿真数据表明：浙闽沿岸锋对低频声传播影响很小，苏北沿岸潮生锋的影响却很大；苏北沿岸潮生锋的宽度和强度不同引起的声传播损失差别不大，但它的层化水区域的温度垂直梯度不同值引起的传播损失差别很大，他们对此现象的解释为，声线穿越锋区后向下折射并且和有吸收衰减的海底发生多次反射引起的 宋俊,李风华,张仁和. 沿岸锋对低频声传播的影响. 中国声学学会2005年青年学术会议论文集。菅永军等人（2006）利用黑潮锋区断面的实测CTD数据获得锋面声速分布，

18、通过确定海洋锋面的宽度、位置、和陡度等特征参数，建立了与实测数据较符合的海洋锋区声速计算理论模型，使用二维抛物方程模型研究海洋锋面的声传播特性。结论显示：锋面对声传播损失的影响受到声源位置、发射频率和接收深度等的影响，声源在50m和发射频率=150Hz在不同接收深度，有锋面时和无锋面时传播损失最大相差20dB 菅永军,张杰,贾永君. 海洋锋区的一种声速计算模式及其在声传播影响研究中的应用. 海洋科学进展,2006年02期。张旭等人（2013）运用BELLHOP水声数值模型分析东海黑潮锋环境下的声场特性，结果显示：声线（声波频率1kHz）穿越锋面发生干涉时会使声能强弱空间分布出现偏移，并且锋面引

19、起的非均匀水文环境是引起声能空间异常变化的关键因素 张旭,刘艳,孙杰. 典型东海黑潮锋环境下的声场分布异常分析. 应用海洋学报,2013。3.2 声学计算模型简介2p=1c22y2x（2）影响声场的海洋环境因素有很多，为了研究不同海洋环境因素对声场的影响，人们从实际的声传播问题中抽象出声传播模型，主要有：简正波模型、射线模型、抛物方程模型、多途扩展模型、快速场模型、射线-简正波模型、简正波-抛物方程模型和射线-简正波-抛物方程模型，这些模型都符合最基本的波动方程，式（2）。这些模型有各自的优缺点和适用范围。射线理论适用于处理高频声场的问题，目前主要的射线模型有：RAY、BELLHOP、TRIM

20、AIN和HARPO等。它是建立在高频近似的基础上，通过对不同频率的衍射修正，它也可以应用到较低频声场。射线理论既适用于海洋环境与距离无关的声传播问题，也适用于海洋环境与距离有关的问题，但是对于求解非水平分层介质的问题上，它的求解过程比较繁琐。简正波理论是海洋声学中比较完善的计算方法，得到了广泛的应用。目前很多已经有很多简正波计算程序已被开发，KRAKEN、MOATL、SNAP、COUPLE等。简正波模型是基于与距离无关的假设，通过“绝热近似”和“模式耦合”方法可以将其扩展为与距离有关的模型。绝热简正波的优点是计算量小，计算速度快，但因为它的基本假设是简正波保持绝热耦合，忽略了简正波之间的能量交

21、换，所以它的适用范围局限在水平方向变化缓慢的问题上。耦合简正波在处理二维、三维非均匀波动问题上，它的精确程度比较高，它的结果可以作为其他检验其他模型的标准解。耦合简正波成像清晰、精度高，而它的缺点是计算速度慢。抛物方程模型是针对水平变化海洋环境中声场计算的一种快速近似算法，是波动方程的窄角近似解，在水平较窄的角度范围内能计算的传播角度小于15°，后来发展到了可处理宽角、后向散射等问题的算法。由于模型假设上的限制，PE模型不能计算水平变化比较剧烈的声场，但是它在处理水平变化和三维变化的声场的问题上具有优越性。抛物方程主要使用了四种数值技术：1.分裂步进傅里叶算法；2.隐式有限差分（IF

22、D）；3.常微分方程（ODE）；4.有限元方法（FE）。多途扩展模型具有与射线模型相同的部分性质，它通过积分无穷结合把波动方程展开为声场积分表达式，每个声线路径可由一个积分表达式表示，它能正确估计焦散区和声影区的声压场。主要的程序模型有FAME和MULE。 快速场模型使用简正波近似方法来分离波动方程参数，并通过快速傅里叶变换算法对变换结果进行数字估计。目前主要的理论模型有：FFP、PRESS、SCOOTER、SPARC和OASES。射线-简正波模型可以将简正波赋予射线的含义，以此得到相应的物理图像。主要的射线简正波模型有广义相积分简正波模型（WKBZ）和波束位移射线简正波模型（BDRM）。简正

23、波-抛物方程方法（PMPE）是简正波和抛物方程方法的结合，包括绝热简正波-抛物方程方法（AMPE），和耦合简正波-抛物方程方法（CMPE）。射线-简正波-抛物方程方法（RMPE）是建立在射线-简正波模型和简正波-抛物方程方法模型的基础上建立的，在垂直方向上采用射线-简正波模型进行简正波分析，在水平与方向角方向采用抛物方程方法来求解简正波幅度系数方程。本文主要使用抛物方程RAM模型来计算仿真声场中的传播损失。NSPE(The Navy Standard Parabolic Equation)是研究水声传播算法的重要成果，它是基于抛物方程，用于解决水声传播并且能够满足使用者对输入输出需求的算法。N

24、SPE声学模型的出现主要是为了满足对深水域低频声传播的需要。在早期的几个版本里，SSF（spilt-step Fourier solution method）结合了输入参数，能让操作者输入实测的海底数据。它可以模拟粗糙的海表或者被冰覆盖的海表，能够仿真带宽和波束接收接通系统。NSPE继承了SSF算法的假设：声传播媒介中没有垂直不连续性。但是在20世界90年代，海军研究的重点放在了浅水，这就使得海底对声传播的作用更加明显，这使SSF的海底界面和液态半无限界面近似不再起作用。幸运的是这个时候研究有了新的进展，产生了几种能在数值上处理垂直不连续性模型，提供了可靠地浅水预测。RAM（Range-dep

25、endent Acoustic Model）是认可程度比较高的模型，它是由Michael Collins研究出来的，它使用分步padé近似求解方程，这使得计算速度和计算精度比以往的PE模型有了较大的提高，得到广泛的应用。RAM是发展的非常快的一个研究模型，因为它的求解允许步长范围比声波波长大，并且不需要细微垂直网格。它的网格可以设置的非常精细并且计算速度能够达到军事环境的要求，它还允许并行计算从而使得计算速度大大提高。所以，RAM模型是漫长的科研探索之路上一个重要的里程碑之一。3.3 海洋锋模型海洋锋三维模型表达式 9 南明星,笪良龙,卢晓婷,李玉阳 复杂海区的三维声线轨迹可视化仿真

26、. 2003系统仿真技术及其应用学术交流会论文集 :c2r,=c02r,1+cexp-z-z0Wz2-0W2-0W2（3）上式中，r,代表求坐标位置；c0r,指不存在海洋锋时各个位置点的声速；c指声扰动因子，控制着海洋锋的强度；z0、0、0指海洋锋的中心位置，Wz、W、W指海洋锋的范围。将上式简化为二维模型:c2r,z=c02r,z1+cexp-z-z0Wz2-r-r0Wr2（4）式（4）中，r，z是声场中坐标位置点，Wr是海洋锋在水平方向上的半径，Wz是海洋锋在铅直方向上的半径。c0是在没有海洋锋时声场位置点的声速，本文把它设置为Munk深海声道声速剖面的声速，如图 31黑线。图 Error

27、! No text of specified style in document.Error! Main Document Only.（b）海洋锋声速场（a）Munk 深海声速剖面4 锋区声场仿真4.1 海洋锋区对不同声波频率的影响4.1.1 模型参数设置在本次模拟实验中，本文把海洋锋中心设在水平距离60km、水深1000处，海洋锋水平尺度为14km，垂直尺度为2000m。声扰动因子代表海洋锋强弱，本文将它设为0.02。海底参数设置如下：海底声速为1600m/s，海底密度为=1.8×103kg/m3，压缩波衰减系数为0. 4dB/。声源深度为500m。为了观察不同频率声源在海洋锋的影

28、响，本文将声源依次设为300Hz、400Hz、500Hz。在没有海洋锋时，假设声速在水平方向没有梯度变化，垂直声速变化如图 41（a）黑线所示。在深度1000米以内时，因为声速主要受到温度的影响，所以在深度为1000米以上时，声速随着深度的增加而减小；在深度为1000米以下时，静压力的变化对声速的影响较温度要大，所以在1000米以下的深度，声速随着静压力的增大而增大。存在海洋锋时，声场如图 41（b）所示，声速等值线向海洋锋中心位置弯曲，水平方向声速变化率上随着海洋锋中心位置的距离增大而减小。图 41（a）蓝色部分绘制出相同深度声速在水平方向上的变化范围，反映出存在海洋锋时，不同深度声传播深度

29、的变化大小。图 Error! No text of specified style in document.Error! Main Document Only.4.1.2 仿真结果及讨论图 42中（a）、（c）、（e）是不同频率声波300Hz、400Hz和500Hz在没有海洋锋时海水声传播的传播损失图，（b）、（d）、（e）300Hz、400Hz、500Hz是在海洋锋区声传播的传播损失图，蓝色虚线代表海洋锋的水平尺度。由图（a）、（c）、（d）可以看不同频率在海洋中的传播损失不同，高频声波在海洋中能量衰减的更快。由（b）、（d）、（f）可以看出不同频率声波经过海洋锋能量变化大小不同。但是他们都

30、有一个共同点，经过海洋锋后，能量发生折射。通过图 42中有无海洋锋情况下的传播损失图对比，可以看到在海洋锋区（蓝线区域），高频声传播损失会比低频声传播损失减小的多，即海洋锋区对高频声波的能量折射作用比低频声波强烈。 图 Error! No text of specified style in document.Error! Main Document Only.（b）f=400Hz（a）f=300Hz（c）f=500Hz通过（c）、（d）图对比，可以明显的看到，能量会沿着海洋锋发生一个折射，在海洋锋区能量从上层（800m以上）折射到下层（800米以下），从而使上层能量减小，下层能量增加。主要体现在声波穿过海洋锋区后，即第二根蓝线之后，从颜色变化上可以看出（d）图上层较（c）图上层传播损失明显增加，而下层传播损失减小。经过（a）、（b）仔细对比后，可以观察到经过海洋锋后，（b）图在深度为0-500米范围内的颜色较（a）图浅，而在500-1000米范围内的颜色（b）图较（a）图深，所以还是能看见能量分布上发生的变化。尽管图 42可以看出不同声波在海洋锋传播时发生的能量折射现象，为了更直观的观测处海洋锋对不同频率声波的影响，本文给出了500米处的传播损失图，这个深度与声源深度相同。如图 43所示，（a）、（b）、（c）是声