【基于ACTUP软件浅海水声传播特性模拟分析案例4800字】

基于ACTUP软件浅海水声传播特性模拟分析案例1.1仿真参数的设定首先在Matlab中添加路径，然后运行actup.m这个文件会得到一个如图4-1-1的声学工具箱用户界面（acoustictoolboxuser-interface），然后选择配置环境和传播模型中的编辑环境进入图4-1-2编辑信道环境界面。图4-1-1声学工具箱用户界面图4-1-2编辑信道环境界面点击图4-1-2中的Editenvironment（编辑环境）,设置声源与水听器的水平距离，然后编辑如图4-1-3和4-1-4的编辑水体环境界面1和2，这里主要有以下几个参数，一是水体环境是否为声学半空间，由于声速会随着环境的变化而产生改变，所以选择非声学半空间；二是海面粗糙度的均方根值，可以通过表4-1进行选择不同的海面粗糙度；三是如表4-2，不同的水深和季节及其对应的水体密度和声在其中传播的速度。表4-1常见的海面粗糙度参数风级023567名称无风轻风微风轻劲风大风飓风浪高（m）00.20.625.514表4-2声速随深度、季节的变化冬（正）夏（负）深度(m)0~2020~4040~550~2020~4040~55声速(m/s)1517~15181518~15191519~1519.51540~15431543~15461546~1549图4-1-3配置水体环境界面1图4-1-4配置水体环境界面2然后回到图4-1-3编辑海洋底部环境参数，BELLHOP模型默认为海底是声学弹性半空间，并且其表面粗糙度为0（如图4-1-5），然后在图4-1-6中配置海底环境的参数：海底沉积物层的厚度（与设置的水体最大深度一样）、声速、密度（如表4-3所示）、沉积物的衰减系数𝛼(𝑓)等[46]。图4-1-5配置海底环境界面1图4-1-6配置海底环境界面2表4-3大陆台地(陆架和斜坡)环境条件下的泥沙沉积物密度、声速和速度比沉积物类型密度（kg/m3）声速（m/s）速度比(沉积物声速/海水声速)粗砂203418361.201很细沙187817091.120砂质粉砂176916441.076砂—粉砂—泥157515821.036粉砂质泥148015170.990点击图4-1-2的OK返回图4-1-7，点击“EditCode-IndependentPropagationParameters”配置声源的深度、频率，水听器的深度、个数、接受范围、输出文件的位置和命名等（如图4-1-8所示）。图4-1-7配置环境界面图4-1-8配置声源相关参数再然后“EditCode-dependentPropagationParameters”，选择“Bounce+Bellhop”进入图4-1-9配置BELLHOP，其中每个参数的意义已在本文的第3.2节中有说明。（注：设置声线数量太少会导致冲激响应稀疏和出现运行错误，数量过多会使得程序运行时间过长）。图4-1-9配置BELLHOP最后保存环境，就可运行不同的计算模型得到对应的仿真图。1.2不同声源频率本节将研究当点声源频率不同时，由不同的季节、不同的声速剖面和不同的水深会对声的传播损失、反射系数、声线等产生的影响。仿真中水听器与声源同一深度，水听器水平接受范围最大为1000米，其个数为50，声线个数设置为100，海面的风浪大小取清劲风，RMSroughnessoftopinterfaceoflayer(m)=2（表面粗糙度的均方根值，单位为m），海底沉积物层的声速取2000m/s，密度取1810kg/m3。水深为20米时，声源深度为10米，水深为55米时，声源深度为50米。1.2.1取声源频率为100Hz图4-2-1冬季水深20米的传播损失图图4-2-2冬季水深55米的传播损失图图4-2-3夏季水深20米的传播损失图图4-2-4夏季水深55米的传播损失图由上图可知对于声的传播损失与其季节、水听器与声源的距离和水深有关。（1）随着水体深度的增加或者水听器与声源的距离的减小，声传播损失受到季节这一因素变化的影响越小。比如在水深55米时，声传播损失的仿真结果在整个水听器与声源的距离的范围内，不同季节的仿真结果高度相似。但是当水体深度减小时（比如为20米时），随着水听器与声源的距离的增大，不同季节的仿真结果的偏差也越来越大，声源频率100Hz时，在水听器与声源的距离720米之后，仿真结果图有较大差异。（2）声的传播损失曲线图随着水体深度的增大不仅会出现震荡，而且幅度还会增大。比如水深20米时，春季和冬季的传播损失都是逐渐增大，而水深55米时，传播损失曲线就会表现出大幅震荡。另外声源频率100Hz、水听器与声源的距离为100米时，水深为20米的声传播损失为32dB左右。其他条件不变，当水体深度增加至55米时，传播损失为44dB左右,出现了一个大幅的上涨。并且在100Hz这个频率下。不同季节对此两种特性影响不大。（3）水深的增加，传播损失的最大值也在增大，并且最大值点会向声源靠近。在水深为20米时，声传播损失的最大值的点在水听器与声源的距离为800米之后，区别在于峰值的大小不同，其中冬季为46dB，夏季为48dB。水深为55米时，最大值点都在350米左右，且季节的变化对传播损失的最大值这一数值基本不产生影响，都为67dB，都要大于水深为20米时的情况。（4）相同的水深，不同的季节，随着距离的增加，在最远处的传播损失值趋近相同，且水体深度越小，损失越少。其中水深20米，传播损失在47dB左右，水深55米，传播损失在54dB左右。图4-2-5夏季水深20米的声线图图4-2-6夏季水深55米的声线图图4-2-7冬季水深20米的声线图图4-2-8冬季水深55米的声线图（5）由声线图我们可知对于任何一个水听器，比较重要的声线有两类，一类是直接从点声源到水听器的声线，另一类是从点声源发出经由海面反射、海底反射或者两种都有的反射后到达水听器的声线。随着水听器距离点声源距离增大，声线也越来越发散、稀疏。声线图受季节变化影响不显著，若是声源在水层的中间，声线呈现对称的状态，且颜色越深，说明声线越密集。声线向上弯曲，说明符合Snell折射定律：声线的传播方向是从声速大的区域向声速小的区域弯曲[24]。4-2-9夏季水深20米的底部反射系数图图4-2-10夏季水深55米的底部反射系数图图4-2-11冬季水深20米的底部反射系数图图4-2-12冬季水深55米的底部反射系数图（6）由图可知，底部反射系数图的参数基本不受季节、水深的变化的影响。1.2.2取声源为频率1000Hz图4-2-13冬季水深20米的传播损失图图4-2-14冬季水深55米的传播损失图图4-2-15夏季水深20米的传播损失图图4-2-16夏季水深55米的传播损失图1.2.3取声源为频率5000Hz 图4-2-17冬季水深20米的传播损失图图4-2-18冬季水深55米的传播损失图图4-2-19夏季水深20米的传播损失图图4-2-20夏季水深55米的传播损失图（7）随着声源频率增大，当水体深度越小，声传播损失就受到季节的影响越大。比如在水深55米时，声传播损失的仿真结果在三种声源频率的条件下，在整个水听器与声源的距离的范围内，冬季和夏季的仿真结果高度相似。但是当水体深度较小时，比如为20米时，随频率的增加，不同的季节的仿真结果差别也越来越大，其中声源频率100Hz时仿真结果在水听器与声源的距离750米之后有较大差异；当声源频率1000Hz时，不同季节的仿真结果在水听器与声源的距离550米之后有较大差异，其中声源频率5000Hz时，不同季节的仿真结果仅在水听器与声源的距离150米之后就有较大差异。（8）传播损失的最大值随着声源频率的增大也在增加。其中水深20米时，夏季的传播损失最大值要大于同条件下冬季的值。在冬季水深为20米时，在三种声源频率下，传播损失都在在水听器与声源的距离为800米至900米之间达到最大值，不同的是峰值大小不同，其中声源频率为100Hz时大约为46dB，1000Hz和5000Hz时都大约为60dB。夏季水深为20米时，其中声源频率为100Hz，传播损失大约为48dB，距离为1000米，1000Hz最大传播损失为57dB，和5000Hz时都大约为67dB。（9）声源频率越大，传播损失曲线的毛刺越多，波动也越大，但是随着水深的增加，曲线会变得越加平顺。1.3不同海底环境在海洋环境中，海底是整个环境中声传播的底层，声线也会在此界面发生反射和透射，声波在底部沉积物中传播速度也会根据不同介质类型、不同介质层深度等因素的变化发生变化，同样如果海底界面不是光滑的，而是粗糙不平的，将会导致在海洋中传播的声波产生衰减[20,39]。对海底环境进行建模，需要考虑到随深度的变化，海底的沉积物类型的变化，不同类型的沉积物中的压缩波、剪切波的速度和衰减系数，以及不同深度对声传播速度的影响，其中上层沉积物的性质是比较重要[23]。本部分将研究在沉积物层为声学弹性半空间，由浅海海底类型的组成成分不同（Shepard的三角端元法）[47]、季节和声速剖面的不同会对声传播损失、底部反射系数、距离时延、声线等产生的影响进行探讨。仿真中环境取冬季且水深为20米，水听器与声源深度均为10米，声源频率为100Hz，水听器水平接受范围最大为1000米，水听器个数为50个，声线数设为100，海面的风浪取清劲风，海面粗糙度的均方根值取2。由表4-3可知，随着底部沉积物的密度降低，在沉积物中传播的声速也在减小，且比密度减小的更快，速度比也在降低。1.3.1传播损失图图4-2-1沉积物为粗砂图4-2-2沉积物为很细沙图4-2-3沉积物为砂质粉砂图4-2-4沉积物为砂—粉砂—泥图4-2-5粉砂质泥（1）由传播损失图可知随着沉积物密度降低，声的传播损失会随水听器与声源的距离增加而变大的整体趋势没有改变，并且呈现为先增大后减小，然后再增大的情况，其中第二个波峰都大约在水听器距离声源800米处。（2）区别在于：首先密度越低，其在水听器距离声源100米处的传播损失会增大，沉积物类型为粗砂型时是35dB、为很细沙型时是35.3dB、为砂质粉砂型时是35.6dB、为砂—粉砂—泥型时是36.4dB、为粉砂质泥型时是42dB，其中沉积物类型为粉砂质泥型的传播损失相较于其他类型变化大幅增加；其次水听器距离声源1000处的传播损失也会增大，同样的沉积物为粉砂质泥的传播损失相较于其他类型的沉积物有大幅度增加；然后随着沉积物密度降低，传播损失图的震荡也在减少，曲线越来越平滑；最后沉积物类型为粗砂型、很细沙型和砂质粉砂型传播损失的最大值在水听器距离声源最远处，而沉积物类型为砂—粉砂—泥型的第一个和第二个波谷处大小大致一样，沉积物类型为粉砂质泥型的第一个最大值甚至大于最远处，是极大值点。声的传播损失会随着声源与水听器的距离增大整体呈现出增大—减小—增大的趋势，随着沉积物密度的减小，传播损失第一个峰值会越来越大，并且与声源的距离也在减小。1.3.2底部反射系数图图4-2-6沉积物为粗砂图4-2-7沉积物为很细沙图4-2-8砂质粉砂图4-2-9砂—粉砂—泥图4-2-10粉砂质泥（3）由底部反射系数图可知，随着沉积物密度降低，掠射角为0时，海底损失的大小都为0，随着掠射角的增大，海底损失的大小开始增大，最后趋于稳定，并且随着沉积物的密度的减小，最后的稳定值也在增大，从粗砂的7dB、很细沙的9dB、砂质粉砂的10dB、砂—粉砂—泥的12dB到粉砂质泥的14dB。而且随着沉积物密度的减小，海底损失的值从0不增大和稳定到最大值不变的掠射角都在减小，其中最大值基本不变的掠射角从粗砂的80°、很细沙的75°、砂质粉砂的70°、砂—粉砂—泥的60°到粉砂质泥的20°，当沉积物类型为粉砂质泥时掠射角大幅的突变。1.3.3声线图图4-2-11粗砂图4-2-12很细沙图4-2-13砂质粉砂图4-2-14砂—粉砂—泥图4-2-15粉砂质泥（4）由声线图可知，除了密度最小，声速最低的沉积物为粉砂质泥以外，其他四种沉积物的声线图基本一致。相对于其他沉积物，粉砂质泥的声线图的声线稀疏了很多，而且底部的反射很少，并且反射角也较大。原因可能是沉积物的密度过小，突破了一个阈值，造成了质变。1.4不同海面粗糙度在风、潮汐、生物活动以及人为因素的作用下海洋表面浪潮复杂且多变，往往会形成不同的海面粗糙度。由表4-1可知，风浪越大海面粗糙度越大。1.1.1冬季水深20米图4-3-1海面粗糙度为0的传播损失图图4-3-2海面粗糙度为2的传播损失图图4-3-3海面粗糙度为5.5的传播损失图图4-3-4海面粗糙度为14的传播损失图1.1.2夏季水深20米图4-3-5海面粗糙度为0的传播损失图图4-3-6海面粗糙度为2的传播损失图图4-3-7海面粗糙度为5.5的传播损失图图4-3-8海面粗糙度为14的传播损失图图4-3-9海面粗糙度为0的底部反射系数图