CN112729532B - 浅海运动声源近场传递函数获取方法、装置、设备及介质 - Google Patents

浅海运动声源近场传递函数获取方法、装置、设备及介质 Download PDF

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CN112729532B CN202110006516.7A CN202110006516A CN112729532B CN 112729532 B CN112729532 B CN 112729532B CN 202110006516 A CN202110006516 A CN 202110006516A CN 112729532 B CN112729532 B CN 112729532B
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Abstract

本申请的浅海运动声源近场传递函数获取方法、装置、设备及介质，该方法包括：获取浅海环境中运动声源对应的多个虚拟声源，计算在运动状态下每个虚拟声源的反射角，根据反射角、运动状态下每个虚拟声源的位置、运动状态下每个虚拟声源在对应的镜像声源的位置以及预设接收点的位置，计算每个虚拟声源对应的镜像反射角，根据镜像反射角和预设接收点的位置，计算每个虚拟声源的直达波传递函数，根据多个虚拟声源的海底反射系数以及预设的海面反射系数，对多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算，得到运动声源在浅海环境中的声源传递函数。通过考虑了声源运动引起的声传播的变化，提高了声源传递函数的准确度。

Description

浅海运动声源近场传递函数获取方法、装置、设备及介质
技术领域
本申请涉及海洋声学技术领域，具体而言，涉及一种浅海运动声源近场传递函数获取方法、装置、设备及介质。
背景技术
随着海洋声学技术的快速发展，为实现船舶等大型水面水下航行器、海工装备近场辐射噪声测量与辐射噪声预报，关键是建立浅海环境下的声源传递函数。
目前，浅海环境由于海深较浅，受边界和海水底质的影响，使得声音在海水下传播时存在复杂的时空分布状态，被称作为多途效应或干涉结构，目前主要采用简正波法和镜像法建立浅海环境下的声源传递函数。
然而，采用上述方式建立的声源传递函数没有考虑声源在运动状态下的声传播变化。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种浅海运动声源近场传递函数获取方法、装置、设备及介质，以解决现有技术计算出的声源传递函数的准确度较低的问题。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请一实施例提供了一种浅海运动声源近场传递函数获取方法，所述方法包括：
获取浅海环境中运动声源对应的多个虚拟声源；其中，所述运动声源在预设接收点的声压为所述多个虚拟声源在所述预设接收点的声压的叠加值；
计算在运动状态下每个虚拟声源的反射角；
根据所述反射角、运动状态下所述每个虚拟声源的位置、运动状态下所述每个虚拟声源在对应的镜像声源的位置，以及所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源对应的镜像反射角，所述镜像反射角为：运动前所述每个虚拟声源和运动后所述每个虚拟声源所在的第一线条，与，运动前所述每个虚拟声源和所述预设接收点所在的第二线条之间的夹角；
计算所述每个虚拟声源发出的朝向所述预设接收点的声波，经过海底的海底反射系数；
根据所述镜像反射角和所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源的直达波传递函数；
根据所述多个虚拟声源的海底反射系数以及预设的海面反射系数，对所述多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算，得到所述运动声源在所述浅海环境中的声源传递函数。
可选地，所述方法还包括：
计算在运动状态下所述每个虚拟声源的全内反射角；
若所述多个虚拟声源中存在反射角大于或等于全内反射角的目标虚拟声源，则根据所述目标虚拟声源的镜像反射角，计算所述目标虚拟声源的侧面波传递函数；
根据所述多个虚拟声源的所述海底反射系数以及预设的海面反射系数，对所述多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算；
将加权和运算的结果，与所述目标虚拟声源的侧面波传递函数进行累加，得到所述声源传递函数。
可选地，所述根据所述镜像反射角和所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源的直达波传递函数，包括：
根据所述预设接收点的位置，采用浅海环境中预设的直达波计算公式，得到所述每个虚拟声源的初始直达波传递函数；
根据所述镜像反射角，得到所述每个虚拟声源的修正系数；
根据所述修正系数，对所述初始直达波传递函数进行修正，得到所述每个虚拟声源的直达波传递函数。
可选地，所述根据所述镜像反射角，得到所述每个虚拟声源的修正系数，包括：
根据所述镜像反射角，采用下述公式计算所述修正系数；
Figure BDA0002883636150000021
其中，M为所述每个虚拟声源在所述浅海环境的预设马赫数，θni为第ni个虚拟声源对应的镜像反射角，X为所述修正系数。
可选地，所述计算在运动状态下每个虚拟声源的反射角，包括：
根据所述运动声源在第一时刻的位置，计算所述每个虚拟声源在第一时刻的位置，其中，所述第一时刻为所述预设接收点接收到所述每个虚拟声源发出的声波的时刻；
根据所述每个虚拟声源在所述第一时刻的位置，计算所述第一时刻所述每个虚拟声源和所述预设接收点的距离；
根据所述第一时刻所述每个虚拟声源和所述预设接收点的距离，计算所述每个虚拟声源在所述运动状态下的第二时刻的位置，所述第二时刻为所述每个虚拟声源发出所述声波的时刻；
根据所述每个虚拟声源在所述第二时刻的位置和所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源的所述反射角。
可选地，所述根据所述运动声源在第一时刻的位置，计算所述每个虚拟声源在第一时刻的位置之前，所述方法还包括：
根据所述运动声源的初始位置和运动速度，计算所述运动声源在所述第一时刻的位置。
可选地，所述获取浅海环境中运动声源对应的多个虚拟声源，包括：
获取所述运动声源的多个等效声源；
采用镜像法，获取所述多个等效声源在海面和海底镜像生成的所述多个虚拟声源。
第二方面，本申请另一实施例提供了一种浅海运动声源近场传递函数获取装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取浅海环境中运动声源对应的多个虚拟声源；其中，所述运动声源在预设接收点的声压为所述多个虚拟声源在所述预设接收点的声压的叠加值；
计算模块，用于计算在运动状态下每个虚拟声源的反射角，根据所述反射角、运动状态下所述每个虚拟声源的位置、运动状态下所述每个虚拟声源在对应的镜像声源的位置，以及所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源对应的镜像反射角，所述镜像反射角为：运动前所述每个虚拟声源和运动后所述每个虚拟声源所在的第一线条，与，运动前所述每个虚拟声源和所述预设接收点所在的第二线条之间的夹角，计算所述每个虚拟声源发出的朝向所述预设接收点的声波，经过海底的海底反射系数，根据所述镜像反射角和所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源的直达波传递函数，根据所述多个虚拟声源的海底反射系数以及预设的海面反射系数，对所述多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算，得到所述运动声源在所述浅海环境中的声源传递函数。
可选地，所述计算模块，还用于：
计算在运动状态下所述每个虚拟声源的全内反射角；
若所述多个虚拟声源中存在反射角大于或等于全内反射角的目标虚拟声源，则根据所述目标虚拟声源的镜像反射角，计算所述目标虚拟声源的侧面波传递函数；
根据所述多个虚拟声源的所述海底反射系数以及预设的海面反射系数，对所述多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算；
将加权和运算的结果，与所述目标虚拟声源的侧面波传递函数进行累加，得到所述声源传递函数。
可选地，所述计算模块，具体用于：
根据所述预设接收点的位置，采用浅海环境中预设的直达波计算公式，得到所述每个虚拟声源的初始直达波传递函数；
根据所述镜像反射角，得到所述每个虚拟声源的修正系数；
根据所述修正系数，对所述初始直达波传递函数进行修正，得到所述每个虚拟声源的直达波传递函数。
可选地，所述计算模块，具体用于：
根据所述镜像反射角，采用下述公式计算所述修正系数；
Figure BDA0002883636150000041
其中，M为所述每个虚拟声源在所述浅海环境的预设马赫数，θni为第ni个虚拟声源对应的镜像反射角，X为所述修正系数。
可选地，所述计算模块，具体用于：
根据所述运动声源在第一时刻的位置，计算所述每个虚拟声源在第一时刻的位置，其中，所述第一时刻为所述预设接收点接收到所述每个虚拟声源发出的声波的时刻；
根据所述每个虚拟声源在所述第一时刻的位置，计算所述第一时刻所述每个虚拟声源和所述预设接收点的距离；
根据所述第一时刻所述每个虚拟声源和所述预设接收点的距离，计算所述每个虚拟声源在所述运动状态下的第二时刻的位置，所述第二时刻为所述每个虚拟声源发出所述声波的时刻；
根据所述每个虚拟声源在所述第二时刻的位置和所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源的所述反射角。
可选地，所述根据所述运动声源在第一时刻的位置，计算所述每个虚拟声源在第一时刻的位置之前，所述计算模块，还用于：
根据所述运动声源的初始位置和运动速度，计算所述运动声源在所述第一时刻的位置。
可选地，所述获取模块，具体用于：
获取所述运动声源的多个等效声源；
采用镜像法，获取所述多个等效声源在海面和海底镜像生成的所述多个虚拟声源。
第三方面，本申请另一实施例提供了一种电子设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，以执行如上述第一方面任一项所述的方法。
第四方面，本申请另一实施例提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如上述第一方面任一项所述的方法。
本申请提供了一种浅海运动声源近场传递函数获取方法、装置、设备及介质，该方法包括：获取浅海环境中运动声源对应的多个虚拟声源，其中，运动声源在预设接收点的声压为多个虚拟声源在预设接收点的声压的叠加值，计算在运动状态下每个虚拟声源的反射角，根据反射角、运动状态下每个虚拟声源的位置、运动状态下每个虚拟声源在对应的镜像声源的位置，以及预设接收点的位置，计算每个虚拟声源对应的镜像反射角，镜像反射角为：运动前每个虚拟声源和运动后每个虚拟声源所在的第一线条，与，运动前每个虚拟声源和预设接收点所在的第二线条之间的夹角，计算每个虚拟声源发出的朝向预设接收点的声波，经过海底的海底反射系数，根据镜像反射角和预设接收点的位置，计算每个虚拟声源的直达波传递函数，根据多个虚拟声源的海底反射系数以及预设的海面反射系数，对多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算，得到运动声源在浅海环境中的声源传递函数。本申请通过考虑了声源运动引起的声传播的变化，提高了声源传递函数的准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本申请实施例提供的浅海运动声源近场传递函数获取方法的流程示意图一；
图2示出了本申请实施例提供的等效声源的示意图；
图3示出了本申请实施例提供的运动声源对应的多个虚拟声源的示意图；
图4示出了本申请实施例提供的虚拟声源的反射角和镜像反射角的示意图；
图5示出了本申请实施例提供的海底反射波的示意图；
图6示出了本申请实施例提供的海面反射波的示意图；
图7示出了本申请实施例提供的浅海运动声源近场传递函数获取方法的流程示意图二；
图8示出了本申请实施例提供的侧面波的示意图；
图9示出了本申请实施例提供的目标虚拟声源声波沿侧面波传播的示意图；
图10示出了本申请实施例提供的浅海运动声源近场传递函数获取方法的流程示意图三；
图11a-图11d示出了本申请实施例提供的海深20米条件下分别利用镜像法模型和基于侧面波修正的镜像法模型计算得到的声传播曲线的示意图；
图12示出了本申请实施例提供的浅海运动声源近场传递函数获取装置的结构示意图；
图13示出了本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，本申请中附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本申请的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本申请中使用的流程图示出了根据本申请的一些实施例实现的操作。应该理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本申请内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。
另外，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请实施例中将会用到术语“包括”，用于指出其后所声明的特征的存在，但并不排除增加其它的特征。
建立浅海环境下的声源传递函数是实现船舶等大型水面水下航行器、海工装备近场辐射噪声测量与辐射噪声预报的基础，浅海环境由于海深较浅，受边界和海水底质的影响，使声音在水下传播时存在复杂的时空分布状态，被称为多途效应或者干涉结构。
现有技术中，主要采用简正波法和镜像法建立浅海环境下的声源传递函数，其中，简正波法是波动声学中用于计算波导声场的经典理论，由于简正波法没有考虑到声源在浅海近场条件下存在的侧面波的影响，因此可以视为一种近似算法，一般认为在观察点与声源之间的距离大于十倍波长时，满足远场近似条件，计算的声场近似准确。
镜像法将水面和水底的反射声看成无穷个虚拟声源发出的声波叠加，这些声波组成了波导中的总声场，其中，波导指的是海洋环境下，海面与海底之间的海洋空间是声传播的空间。然而，采用简正波法和镜像法得到的浅海环境中的声源传递函数均没有考虑声源运动引起的声传播的变化以及侧面波的影响。
下面结合几个具体实施例对本申请提供的浅海运动声源近场传递函数获取方法进行详细说明。
图1示出了本申请实施例提供的浅海运动声源近场传递函数获取方法的流程示意图一，本实施例的执行主体可以为电子设备，例如可以为终端设备、服务器等，本实施例对此不做特别限定。
如图1所示，该方法可以包括：
S101、获取浅海环境中运动声源对应的多个虚拟声源。
运动声源可以为浅海环境中的任意一个大型水下设备，例如可以包括水下航行器、船舶的水下部分、潜水艇的水下部分、石油钻井的水下部分。
其中，运动声源在预设接收点的声压为多个虚拟声源在预设接收点的声压的叠加值，也就是，在预设接收点采集到的运动声源发出的声波的声压值为在预设接收点采集到的多个虚拟声源发出的声波的声压的叠加值。
需要说明的是，虚拟声源随着运动声源的运动而运动，虚拟声源和运动声源之间的相对位置关系保持不变。
其中，预设接收点的位置可以根据预先布置情况确定，预设接收点可以是布置在浅海环境中用于接收声源声波的传感器的位置，预设接收点的数量包括但不限于一个，关于预设接收点的具体布置位置和数量可以根据实际情况选取，本实施例对此不做特别限定。
可选地，步骤S101可以包括：
获取运动声源的多个等效声源。
采用镜像法，获取各等效声源在海面和海底的多个虚拟声源。
其中，多个等效声源在预设接收点的声压的叠加值为运动声源在预设接收点的声压，也就是说，将运动声源等效为多个等效声源，图2示出了本申请实施例提供的等效声源的示意图，如图2所示，浅海环境中的运动声源标记为S，运动声源S位于海水介质中，以速度v进行匀速直线运动，根据波叠加声辐射理论，运动声源S形成的声场可以等效为位于该运动声源S内部的一组等效声源{S(1)，S(2)…S(L)}，L为等效声源的数量。
海水的深度H为海面至海底的深度，海水密度为ρ1，海水声速为c1，海底密度为ρ2，海底声速为c2，其中，c1＜c2，等效声源的坐标可以记作
Figure BDA0002883636150000081
预设接收点的坐标可以记作/>
Figure BDA0002883636150000082
其中，m＝1，2，…M，M≥1，M为预设接收点的数量。
然后可以采用镜像法，获取各等效声源在海面和海底的多个虚拟声源，其中，多个虚拟声源在预设接收点的声压的叠加值为各等效声源在预设接收点的声压，也就是，各等效声源在预设接收点的声压被等效为各等效声源在海底、海面的作用下形成的一系列虚拟声源在预设接收点的声压的叠加值。
作为一种示例，对于任意等效声源S(L)，其在波导条件下通过针对海底和海面的镜像生成多个虚拟声源，虚拟声源的数量可以为4N，N为趋向于+∞的正整数，具体可根据实际工程问题进行选取。其中，声源以海底和海面为对称面，在对称的位置上形成的与声源强度大小相同的声源，叫做声源在海底海面的镜像。
参考图3，图3示出了本申请实施例提供的运动声源对应的多个虚拟声源的示意图，如图3所示，对于等效声源S(L)(图3中标记为001)，分别以海底和海面为对称面，生成与等效声源001强度大小相同的声源，即多个虚拟声源，分别标记为014、013、004、003、002、011、012。其中，对于运动声源对应的多个虚拟声源的数量，可以根据实际情况选取，本实施例对此不做特别限定。
在本示例中，令虚拟声源的坐标为Sni(xni，yni，zni)，n为运动声源相对于海底海面的镜像次数，n∈[0，N]，i∈[1，2，3，4]，其中：
Figure BDA0002883636150000083
Figure BDA0002883636150000084
Figure BDA0002883636150000085
S102、计算在运动状态下每个虚拟声源的反射角。
其中，运动状态下每个虚拟声源的反射角可以为虚拟声源发出声波时对应的反射角。
在本实施例中，可以根据预设接收点接收到每个虚拟声源发出声波时每个虚拟声源的位置，确定每个虚拟声源发出声波的位置，进而根据每个虚拟声源发出声波的位置确定每个虚拟声源的反射角。
需要说明的是，虚拟声源随着运动声源的运动而运动，虚拟声源和运动声源之间的相对位置关系保持不变。因此，还可以根据运动声源的位置确定每个虚拟声源的位置。
可选地，步骤S102可以包括S1021-S1024：
S1021、根据运动声源在第一时刻的位置，计算每个虚拟声源在第一时刻的位置。
其中，第一时刻为预设接收点接收到每个虚拟声源发出的声波的时刻，每个虚拟声源在第一时刻的位置可以根据运动声源在第一时刻的位置，以及运动声源和虚拟声源的相对位置关系确定。也就是说，若第一时刻预设接收点接收到每个虚拟声源发出的声波，则根据运动声源在第一时刻的位置，以及运动声源与每个虚拟声源之间的相对位置关系，可以计算得到每个虚拟声源在第一时刻的位置。
需要说明的是，第一时刻也为预设接收点接收到运动声源发出的声波的时刻，也即，运动声源等效为多个虚拟声源。
可选地，步骤S1021之前，该方法还包括：
根据运动声源的初始位置和运动速度，计算运动声源在第一时刻的位置。
具体地，可以采用运动声源的运动速度乘以运动时间，得到运动位移，其中，运动时间为第一时刻与运动声源在初始位置的时刻之间的时间差，根据运动声源的初始位置和运动位移，确定运动声源在第一时刻的位置。
需要说明的是，运动声源在浅海环境中进行匀速直线运动。
S1022、根据每个虚拟声源在第一时刻的位置，计算第一时刻每个虚拟声源和预设接收点的距离。
第二时刻为每个虚拟声源发出声波的时刻，也就是说，随着运动声源的运动，虚拟声源也会跟随运动声源而发生一定的运动，那么在预设接收点接收待虚拟声源发出的声波时，声波已经传播了一段时间，声波的传播时间等于第一时刻和第二时刻之间的时间差。
作为一种示例，根据运动声源在第一时刻的位置计算得到每个虚拟声源在第一时刻的位置，第一时刻记作t′，每个虚拟声源在第一时刻的位置记作Sni(xni(t′)，yni(t′)，zni(t′))，预设接收点记作
Figure BDA0002883636150000101
那么第一时刻每个虚拟声源和预设接收点的距离记作RniR(t′)：
Figure BDA0002883636150000102
其中，M是预设马赫数，M等于v/c，v为运动声源的运动速度，c为浅海中的声速。
S1023、根据第一时刻每个虚拟声源和预设接收点的距离，计算每个虚拟声源在运动状态下的第二时刻的位置。
根据第一时刻每个虚拟声源和预设接收点的距离RniR(t′)，计算每个虚拟声源在运动状态下的第二时刻的位置，示例性地，第二时刻记作t，每个虚拟声源在第一时刻的位置记作Sni(xni(t)，yni(t)，zni(t))，可以采用如下公式计算得到每个虚拟声源在运动状态下的第二时刻的位置：
Figure BDA0002883636150000103
也就是说，虚拟声源从第一时刻运动到第二时刻时，其在x轴上的位置发生了变化，y轴和z轴上的位置未发生变化。
S1024、根据每个虚拟声源在第二时刻的位置和预设接收点的位置，计算每个虚拟声源的反射角。
根据每个虚拟声源在第二时刻的位置和预设接收点的位置，计算每个虚拟声源的反射角，也就是说，虚拟声源的反射角为第二时刻虚拟声源发出声波时对应的反射角，示例性地，每个虚拟声源在第一时刻的位置记作Sni(xni(t)，yni(t)，zni(t))，预设接收点记作
Figure BDA0002883636150000104
可以采用如下公式计算每个虚拟声源的反射角/>
Figure BDA0002883636150000105
/>
Figure BDA0002883636150000111
S103、根据反射角、运动状态下每个虚拟声源的位置、运动状态下每个虚拟声源的位置，以及预设接收点的位置，计算每个虚拟声源对应的镜像反射角。
其中，运动状态下每个虚拟声源的位置可以包括每个虚拟声源在发出声波时的位置，即每个虚拟声源在第二时刻的位置，以及预设接收点接收到每个虚拟声源发出的声波时每个虚拟声源的位置，即每个虚拟声源在第一时刻的位置。
镜像反射角为：运动前每个虚拟声源和运动后每个虚拟声源所在的第一线条，与，运动前每个虚拟声源和预设接收点所在的第二线条之间的夹角。
其中，运动前每个虚拟声源所在的位置为第二时刻每个虚拟声源所在的位置，运动后每个虚拟声源所在的位置为第一时刻每个虚拟声源所在的位置，第一时刻为预设接收点接收到每个虚拟声源发出的声波的时刻，第二时刻为每个虚拟声源发出声波的时刻。
参考图4，图4示出了本申请实施例提供的虚拟声源的反射角和镜像反射角的示意图，x、y、z定义了浅海环境的坐标系，xy平面代表海面，z轴表示从海面到海底的方向，H表示海底的位置。
S01为浅海环境中预设接收点R(m)接收到运动声源发出的声波时、运动声源的位置，即第一时刻运动声源的位置，S02为运动声源在第一时刻相对于海底的虚拟声源的位置，S′01为运动声源发出声波时的位置，即第二时刻运动声源的位置，S′02为运动声源在第二时刻相对于海底的虚拟声源的位置。
S′01R(m)为虚拟声源在S′01时直达声波传播的路径，S′01QR(m)为虚拟声源在S′01时发出声波经海底反射传播的路径，S′02QR(m)为虚拟声源在S′02时直达声波传播的路径。
Figure BDA0002883636150000112
为运动声源在S′01与预设接收点R(m)形成的反射角，也即时，虚拟声源S′02的反射角。
运动前虚拟声源可以记作S′02，运动后虚拟声源可以记作S02，预设接收点记作R(m)，运动前虚拟声源和运动后虚拟声源所在的第一线条记作L1，运动前虚拟声源和预设接收点所在的第二线条记作L2，虚拟声源对应的镜像反射角记作θ02。
S104、计算每个虚拟声源发出的朝向预设接收点的声波，经过海底的海底反射系。
其中，海底反射系数为每个虚拟声源发出的朝向预设接收点的声波经由海底，海底对该声波的反射系数。通常情况下，在浅海波导中的声源传输途径可以包括海底反射波。
在图2实施例的基础上，图5示出了本申请实施例提供的海底反射波的示意图，如图5所示，虚拟声源S(2)至预设接收点R(m)的传播途径包括海底反射波，即通过海底的反射到达预设接收点R(m)，海底反射波标记为带箭头的实线。
作为一种示例，虚拟声源的海底反射系数
Figure BDA0002883636150000121
可以通过如下公式计算得到：/>
Figure BDA0002883636150000122
Figure BDA0002883636150000123
Figure BDA0002883636150000124
Figure BDA0002883636150000125
为虚拟声源的反射角，β为海底的吸声系数。
S105、根据镜像反射角和预设接收点的位置，计算每个虚拟声源的直达波传递函数。
直达波传递函数为每个虚拟声源发出的朝向预设接收点的声波直达至预设接收点的传递函数，通常情况下，在浅海波导中的声源传输途径可以包括直达波。
如图5所示，虚拟声源S(2)至预设接收点R(m)的传播途径包括直达波，即直接到达预设接收点R(m)，直达波标记为带箭头的加粗实线。
作为一种示例，直达波传递函数可以通过如下公式计算得到：
Figure BDA0002883636150000131
其中，ω为声波的角频率，
Figure BDA0002883636150000132
θni为虚拟声源对应的镜像反射角，RniR(t′)为第一时刻每个虚拟声源和预设接收点的距离，/>
Figure BDA0002883636150000133
为预设接收点在x轴的坐标值。
S106、根据多个虚拟声源的海底反射系数以及预设的海面反射系数，对多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算，得到运动声源在浅海环境中的声源传递函数。
海面反射系数为海面对虚拟声源发出的声波的反射系数，通常情况下，海面反射系数可以为固定值，在图2实施例的基础上，图6示出了本申请实施例提供的海面反射波的示意图，如图6所示，虚拟声源S(L)至预设接收点R(m)的传播途径包括海面反射波，即通过海面的反射到达预设接收点R(m)，海面反射波标记为带箭头的加粗虚线。
在本实施例中，将每个虚拟声源的海底反射系数以及预设的海面反射系数的乘积作为该虚拟声源的直达波传递函数的加权系数，对多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算，得到运动声源在浅海环境中的声源传递函数。
本实施例的浅海运动声源近场传递函数获取方法，获取浅海环境中运动声源对应的多个虚拟声源，其中，运动声源在预设接收点的声压为多个虚拟声源在预设接收点的声压的叠加值，计算在运动状态下每个虚拟声源的反射角，根据反射角、运动状态下每个虚拟声源的位置、运动状态下每个虚拟声源在对应的镜像声源的位置，以及预设接收点的位置，计算每个虚拟声源对应的镜像反射角，镜像反射角为：运动前每个虚拟声源和运动后每个虚拟声源所在的第一线条，与，运动前每个虚拟声源和预设接收点所在的第二线条之间的夹角，计算每个虚拟声源发出的朝向预设接收点的声波，经过海底的海底反射系数，根据镜像反射角和预设接收点的位置，计算每个虚拟声源的直达波传递函数，根据多个虚拟声源的海底反射系数以及预设的海面反射系数，对多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算，得到运动声源在浅海环境中的声源传递函数。本申请通过考虑了声源运动引起的声传播的变化，提高了声源传递函数的准确度。
可选地，步骤S106之前，还可以执行图7所示的步骤，图7示出了本申请实施例提供的浅海运动声源近场传递函数获取方法的流程示意图二，如图7所示，步骤S106之前，还可以包括：
S201、计算在运动状态下每个虚拟声源的全内反射角。
在本实施例中，可以根据海面到海底的折射率计算得到每个虚拟声源的全内反射角，每个虚拟声源的全内反射角可以通过如下公式计算得到：
Figure BDA0002883636150000141
Figure BDA0002883636150000142
为海面到海底的折射率。
S202、若多个虚拟声源中存在反射角大于或等于全内反射角的目标虚拟声源，则根据目标虚拟声源的镜像反射角，计算目标虚拟声源的侧面波传递函数。
侧面波传递函数为目标虚拟声源发出的朝向预设接收点的声波经由侧面反射传输至预设接收点的传递函数。其中，目标虚拟声源的反射角大于或等于全内反射角，也就是说，若多个虚拟声源中存在反射角大于或等于全内反射角的目标虚拟声源，说明目标虚拟声源的传播途径包括侧面波传播。需要说明的是，侧面波的产生可以受虚拟声源、预设接收点、海水密码、海水声速、海底密度以及海底声速的影响。
在图2实施例的基础上，图8示出了本申请实施例提供的侧面波的示意图，如图8所示，目标虚拟声源可以为S(1)，从S(1)至预设接收点R(m)的侧面波标记为带箭头的虚拟线。
参考图9，图9示出了本申请实施例提供的目标虚拟声源声波沿侧面波传播的示意图，如图9所示，横坐标为海底，目标虚拟声源为O，目标虚拟声源沿海底的对称点为O′，预设接收点为R(m)，O和R(m)之间的距离为r，O的侧面波传输路径为OABR(m)，O′与R(m)的连线与海底的交点为D，O和D的连线与预设垂直线的夹角为θ1，D和R(m)的连线与预设垂直线的夹角为θ2，O和D与纵坐标的夹角为θc，B和R(m)的连线与预设垂直线的夹角为θc。
作为一种示例，目标虚拟声源的侧面波传递函数可以通过如下公式计算得到：
Figure BDA0002883636150000143
其中：
Figure BDA0002883636150000144
Figure BDA0002883636150000145
Figure BDA0002883636150000151
/>
k为声波在海水中传播的波数，波数是声学术语；k1为声波在海底介质中传播的波数；R1为O′经D到R(m)的距离。
r为O至R(m)的距离，L为B至R(m)的距离，L0为O至A的距离，L1为A至B的距离。
S203、根据多个虚拟声源的海底反射系数以及预设的海面反射系数，对多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算。
根据每个虚拟声源的海底反射系数以及预设的海面反射，确定该虚拟声源的直达波传递函数的加权系数，然后根据加权系数对该虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算。
作为一种示例，预设的海面反射系数记作V，每个虚拟声源的海底反射系数记作
Figure BDA0002883636150000152
则以四个虚拟声源为例，可以通过如下公式计算对四个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算：
Figure BDA0002883636150000153
其中，
Figure BDA0002883636150000154
分别表示四个虚拟声源的海底反射系数，Rn1(t)、Rn2(t)、Rn3(t)、Rn4(t)分别表示第一时刻四个虚拟声源分别和预设接收点的距离。以/>
Figure BDA0002883636150000155
为例，将V与/>
Figure BDA0002883636150000156
的乘积的n次方作为直达波传递函数的加权系数。
S204、将加权和运算的结果，与目标虚拟声源的侧面波传递函数进行累加，得到声源传递函数。
其中，目标虚拟声源的数量包括但不限于一个，若目标虚拟声源的数量为多个，则可以将多个目标虚拟声源的侧面波传递函数进行累加，然后将累加和与上述方式得到的加权和运算的结果进行累加，得到声源传递函数G(t)。计算公式如下所示：
Figure BDA0002883636150000161
本实施例的浅海运动声源近场传递函数获取方法，包括：计算在运动状态下所述每个虚拟声源的全内反射角，若多个虚拟声源中存在反射角大于或等于全内反射角的目标虚拟声源，则根据目标虚拟声源的镜像反射角，计算目标虚拟声源的侧面波传递函数，根据多个虚拟声源的海底反射系数以及预设的海面反射系数，对多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算，将加权和运算的结果，与目标虚拟声源的侧面波传递函数进行累加，得到声源传递函数。将声源传播过程中的侧面波作为考虑因素，进一步提高了声源传递函数的准确度。
下面结合图10实施例对步骤S105进行具体说明。图10示出了本申请实施例提供的浅海运动声源近场传递函数获取方法的流程示意图三，如图10所示，步骤S105可以包括：
S301、根据预设接收点的位置，采用浅海环境中预设的直达波计算公式，得到每个虚拟声源的初始直达波传递函数。
S302、根据镜像反射角，得到每个虚拟声源的修正系数。
S303、根据修正系数，对初始直达波传递函数进行修正，得到每个虚拟声源的直达波传递函数。
其中，浅海环境中预设的直达波计算公式可以为：
Figure BDA0002883636150000162
通过预设的直达波计算公式可以计算得到每个虚拟声源的初始直达波传递函数，然后根据镜像反射角得到每个虚拟声源的修正系数，也就是说，由于初始直达波传递函数准确度不够，因此，还可以根据镜像反射角，得到每个虚拟声源的修正系数，并采用修正系数对初始直达波传递函数进行修正。
可选地，步骤S302可以包括：
根据镜像反射角，采用下述公式计算修正系数；
Figure BDA0002883636150000171
其中，M为每个虚拟声源在浅海环境的预设马赫数，θni为虚拟声源对应的镜像反射角，X为修正系数。
然后根据修正系数，对初始直达波传递函数进行修正，得到每个虚拟声源的直达波传递函数，具体地，可以采用修正系数和初始直达波传递函数的乘积作为每个虚拟声源的直达波传递函数Gni，参考如下公式：
Figure BDA0002883636150000172
本实施例的浅海运动声源近场传递函数获取方法，根据预设接收点的位置，采用浅海环境中预设的直达波计算公式，得到每个虚拟声源的初始直达波传递函数，根据镜像反射角，得到每个虚拟声源的修正系数，根据修正系数，对初始直达波传递函数进行修正，得到每个虚拟声源的直达波传递函数。从而可以对初始直达波传递函数进行修正，从而提高直达波传递函数的准确度。
下面对本申请提供的浅海运动声源近场传递函数获取方法所产生的技术效果进行说明。
为对比不同声源传递函数在浅海近场条件下声场计算结果的准确性，在不同声波频率、不同海深条件下对声传播的空间分布进行仿真计算，在计算过程中假设浅海海底为高声速海底。
具体仿真参数如下：将分层介质设置为三层：空气、海水、海底，海底面为平整面，声速为1500m/s；海底为泥沙底，声速为1800m/s，海水密度取值为1.1g/cm3，将海底介质密度取值为1.9g/cm3；海深假设有2种情况：20m和100m；信号频率设为50Hz、200Hz、1000Hz和2000Hz；声源深度设为18m，接收深度设为18m。
图11a-图11d示出了本申请实施例提供的海深20米条件下分别利用镜像法模型和基于侧面波修正的镜像法模型计算得到的声传播曲线的示意图，如图11a-图11d所示，为进行对比，图中还包括自由场条件下的声传播曲线和同样波导条件下的声传播曲线，该声传播曲线由经典的简正波法获得。
一般认为，在波导条件下只有距离声源很近的空间内可以认为符合常规的自由场传播特性，随着传播距离不断增加，波导对传播的影响将逐渐加大，这从图中的自由场传播曲线和基于简正波的传播曲线对比可以看出。图中结果显示，基于侧面波的镜像法得到的声传播曲线不管是在低频条件下还是在高频条件下，都符合声传播的规律，在距离声源较近的距离内符合自由场传播，随着距离增加传播曲线显现出明显的波导传播特性。
而常规的镜像法获得的声传播曲线没有考虑侧面波的因素，在进行计算过程中会导致计算出现误差，从图中可以看出，只有在距离声源较近的范围内，镜像法获得的声传播曲线才与理论结果比较接近，随着传播距离增大，声传播曲线将出现误差。当声源频率升高时，常规镜像法得到的传播曲线的误差将逐渐降低，这也符合前述的镜像法的特点。
图12示出了本申请实施例提供的浅海运动声源近场传递函数获取装置的结构示意图，浅海运动声源近场传递函数获取装置可以集成在电子设备。如图12所示，浅海运动声源近场传递函数获取装置40可以包括：
获取模块401，用于获取浅海环境中运动声源对应的多个虚拟声源；其中，所述运动声源在预设接收点的声压为所述多个虚拟声源在所述预设接收点的声压的叠加值；
计算模块402，用于计算在运动状态下每个虚拟声源的反射角，根据所述反射角、运动状态下所述每个虚拟声源的位置、运动状态下所述每个虚拟声源在对应的镜像声源的位置，以及所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源对应的镜像反射角，所述镜像反射角为：运动前所述每个虚拟声源和运动后所述每个虚拟声源所在的第一线条，与，运动前所述每个虚拟声源和所述预设接收点所在的第二线条之间的夹角，计算所述每个虚拟声源发出的朝向所述预设接收点的声波，经过海底的海底反射系数，根据所述镜像反射角和所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源的直达波传递函数，根据所述多个虚拟声源的海底反射系数以及预设的海面反射系数，对所述多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算，得到所述运动声源在所述浅海环境中的声源传递函数。
可选地，所述计算模块402，还用于：
计算在运动状态下所述每个虚拟声源的全内反射角；
若所述多个虚拟声源中存在反射角大于或等于全内反射角的目标虚拟声源，则根据所述目标虚拟声源的镜像反射角，计算所述目标虚拟声源的侧面波传递函数；
根据所述多个虚拟声源的所述海底反射系数以及预设的海面反射系数，对所述多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算；
将加权和运算的结果，与所述目标虚拟声源的侧面波传递函数进行累加，得到所述声源传递函数。
可选地，所述计算模块402，具体用于：
根据所述预设接收点的位置，采用浅海环境中预设的直达波计算公式，得到所述每个虚拟声源的初始直达波传递函数；
根据所述镜像反射角，得到所述每个虚拟声源的修正系数；
根据所述修正系数，对所述初始直达波传递函数进行修正，得到所述每个虚拟声源的直达波传递函数。
可选地，所述计算模块402，具体用于：
根据所述镜像反射角，采用下述公式计算所述修正系数；
Figure BDA0002883636150000191
其中，M为所述每个虚拟声源在所述浅海环境的预设马赫数，θni为第ni个虚拟声源对应的镜像反射角，X为所述修正系数。
可选地，所述计算模块402，具体用于：
根据所述运动声源在第一时刻的位置，计算所述每个虚拟声源在第一时刻的位置，其中，所述第一时刻为所述预设接收点接收到所述每个虚拟声源发出的声波的时刻；
根据所述每个虚拟声源在所述第一时刻的位置，计算所述第一时刻所述每个虚拟声源和所述预设接收点的距离；
根据所述第一时刻所述每个虚拟声源和所述预设接收点的距离，计算所述每个虚拟声源在所述运动状态下的第二时刻的位置，所述第二时刻为所述每个虚拟声源发出所述声波的时刻；
根据所述每个虚拟声源在所述第二时刻的位置和所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源的所述反射角。
可选地，所述根据所述运动声源在第一时刻的位置，计算所述每个虚拟声源在第一时刻的位置之前，所述计算模块，还用于：
根据所述运动声源的初始位置和运动速度，计算所述运动声源在所述第一时刻的位置。
可选地，所述获取模块401，具体用于：
获取所述运动声源的多个等效声源；
采用镜像法，获取所述多个等效声源在海面和海底镜像生成的所述多个虚拟声源。
本实施例的浅海运动声源近场传递函数获取装置的实现原理和实现过程，和上述方法实施例提供的浅海运动声源近场传递函数获取方法类似，详细可参见上述浅海运动声源近场传递函数获取方法的相关描述，在此不再赘述。
图13示出了本申请实施例提供的电子设备的结构示意图，如图13所示，电子设备50包括：处理器501、存储器502和总线503，所述存储器22存储有所述处理器501可执行的机器可读指令，当电子设备50运行时，所述处理器501与所述存储器502之间通过总线503通信，所述处理器501执行所述机器可读指令，以执行上述方法实施例。
本申请实施例还提供了一种存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法实施例。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考方法实施例中的对应过程，本申请中不再赘述。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种浅海运动声源近场传递函数获取方法，其特征在于，包括：
获取浅海环境中运动声源对应的多个虚拟声源；其中，所述运动声源在预设接收点的声压为所述多个虚拟声源在所述预设接收点的声压的叠加值；
计算在运动状态下每个虚拟声源的反射角；
根据所述反射角、运动状态下所述每个虚拟声源的位置、运动状态下所述每个虚拟声源在对应的镜像声源的位置，以及所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源对应的镜像反射角，所述镜像反射角为：运动前所述每个虚拟声源和运动后所述每个虚拟声源所在的第一线条，与，运动前所述每个虚拟声源和所述预设接收点所在的第二线条之间的夹角；
计算所述每个虚拟声源发出的朝向所述预设接收点的声波，经过海底的海底反射系数；
根据所述镜像反射角和所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源的直达波传递函数；
根据所述多个虚拟声源的海底反射系数以及预设的海面反射系数，对所述多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算，得到所述运动声源在所述浅海环境中的声源传递函数；
所述根据所述镜像反射角和所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源的直达波传递函数，包括：
根据所述预设接收点的位置，采用浅海环境中预设的直达波计算公式，得到所述每个虚拟声源的初始直达波传递函数；
根据所述镜像反射角，得到所述每个虚拟声源的修正系数；
根据所述修正系数，对所述初始直达波传递函数进行修正，得到所述每个虚拟声源的直达波传递函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
计算在运动状态下所述每个虚拟声源的全内反射角；
若所述多个虚拟声源中存在反射角大于或等于全内反射角的目标虚拟声源，则根据所述目标虚拟声源的镜像反射角，计算所述目标虚拟声源的侧面波传递函数；
所述根据所述多个虚拟声源的海底反射系数以及预设的海面反射系数，对所述多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算，得到所述运动声源在所述浅海环境中的声源传递函数，包括：
根据所述多个虚拟声源的所述海底反射系数以及预设的海面反射系数，对所述多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算；
将加权和运算的结果，与所述目标虚拟声源的侧面波传递函数进行累加，得到所述声源传递函数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述镜像反射角，得到所述每个虚拟声源的修正系数，包括：
根据所述镜像反射角，采用下述公式计算所述修正系数；
Figure FDA0004025436900000021
其中，M为所述每个虚拟声源在所述浅海环境的预设马赫数，θni为第ni个虚拟声源对应的镜像反射角，X为所述修正系数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算在运动状态下每个虚拟声源的反射角，包括：
根据所述运动声源在第一时刻的位置，计算所述每个虚拟声源在第一时刻的位置，其中，所述第一时刻为所述预设接收点接收到所述每个虚拟声源发出的声波的时刻；
根据所述每个虚拟声源在所述第一时刻的位置，计算所述第一时刻所述每个虚拟声源和所述预设接收点的距离；
根据所述第一时刻所述每个虚拟声源和所述预设接收点的距离，计算所述每个虚拟声源在所述运动状态下的第二时刻的位置，所述第二时刻为所述每个虚拟声源发出所述声波的时刻；
根据所述每个虚拟声源在所述第二时刻的位置和所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源的所述反射角。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述运动声源在第一时刻的位置，计算所述每个虚拟声源在第一时刻的位置之前，所述方法还包括：
根据所述运动声源的初始位置和运动速度，计算所述运动声源在所述第一时刻的位置。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述获取浅海环境中运动声源对应的多个虚拟声源，包括：
获取所述运动声源的多个等效声源；
采用镜像法，获取所述多个等效声源在海面和海底镜像生成的所述多个虚拟声源。
7.一种浅海运动声源近场传递函数获取装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取浅海环境中运动声源对应的多个虚拟声源；其中，所述运动声源在预设接收点的声压为所述多个虚拟声源在所述预设接收点的声压的叠加值；
计算模块，用于计算在运动状态下每个虚拟声源的反射角，根据所述反射角、运动状态下所述每个虚拟声源的位置、运动状态下所述每个虚拟声源在对应的镜像声源的位置，以及所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源对应的镜像反射角，所述镜像反射角为：运动前所述每个虚拟声源和运动后所述每个虚拟声源所在的第一线条，与，运动前所述每个虚拟声源和所述预设接收点所在的第二线条之间的夹角，计算所述每个虚拟声源发出的朝向所述预设接收点的声波，经过海底的海底反射系数，根据所述镜像反射角和所述预设接收点的位置，计算所述每个虚拟声源的直达波传递函数，根据所述多个虚拟声源的海底反射系数以及预设的海面反射系数，对所述多个虚拟声源的直达波传递函数进行加权和运算，得到所述运动声源在所述浅海环境中的声源传递函数；
所述计算模块，具体用于：
根据所述预设接收点的位置，采用浅海环境中预设的直达波计算公式，得到所述每个虚拟声源的初始直达波传递函数；
根据所述镜像反射角，得到所述每个虚拟声源的修正系数；
根据所述修正系数，对所述初始直达波传递函数进行修正，得到所述每个虚拟声源的直达波传递函数。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，以执行权利要求1至6任一项所述的方法。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1至6任一项所述的方法。
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