CN117249894A - 一种水下远场声传播在海底透射厚度的诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水下远场声传播在海底透射厚度的诊断方法，属于声场建模领域，所述方法包括在距离和深度方向分离声场解，计算深度分离的简正波本征值和本征函数；计算海底沉积层的波数，求取传播简正波的总号数；将计算所得的所有简正波的本征值的实部与比较，查找本征值的实部大于的简正波，即得到传播简正波的号数；最后诊断最大号传播简正波在海底的作用深度，该深度减去水深即为远场声传播在海底的透射厚度。本发明方法所获得的最大号传播简正波在海底的透射厚度与实际的简正波透射厚度一致。
Description
技术领域
本发明属于海洋环境下远场声传播在水体和海底边界耦合的声场建模领域，涉及一种水下远场声传播在海底透射厚度的诊断方法。
背景技术
声波是海洋中探测、通信以及定位的主要手段，在海洋安全以及防御中发挥着重要作用。海洋声传播严重受制于海洋环境特性，包括海面状况、水体以及底质环境特性。无论声呐系统设计还是水下声场的实战应用都应重视海洋环境的影响。
在浅海声传播以及深海海底反射区声场，海底中的各类声学参数，如密度、声速与衰减等变化都将改变上层流体中声场的分布。我国大陆架海域广大，对海底介质声学参量进行调查研究，进而对海底沉积物进行分类应用，对水下声场预报尤为重要。目前，综合大量底质取样与多波束、浅地层剖面、多道地震等声学地球物理探测数据，开展海底综合探测与工程地质参数反演，建立精细的地声模型是目前研究的热点方向。实际的海底具有精细的分层结构，地声模型要详细描述覆盖在地壳表面的各种沉积层和岩层的实际厚度和性质。声波在海底以大掠射角入射时能够穿透很深的地层，可达几千米深度，因而只有小部分的能量能够返回到水体中，构成声源附近的近场声传播；声波在海底以小掠射角入射时，声能量在海底随深度快速指数减小，声波在海底的穿透厚度是有限的，大部分声能量返回到水体中，在水体中远距离传播。在水下声场的实际应用中，远场声传播起着主要作用，因此，不管是声学底质地球物理探测还是声传播模型仿真计算，弄清楚远场声传播在海底的透射厚度都是非常必要的。在声传播建模计算的过程中，依据远场声传播在海底的透射厚度在合理的海底深度进行截断，截断深度以下设置虚拟的吸收层。通过控制截断深度，可以将海底底质探测或声传播建模的工作集中在有效的区域，从而减少计算量和工作量，同时确保声场预报的精度。
发明内容
不管是海底声学探测还是声传播建模，声波对海底的作用深度都是有限的。为了弄清楚声波在海底的作用深度，本发明提供了一种水下远场声传播在海底透射厚度的诊断方法。该方法利用简正波分解理论，分析远场传播简正波在海底边界处的穿透特性，判定水下声波在水体和海底边界处的穿透厚度。
一种水下远场声传播在海底透射厚度的诊断方法，所述方法包括以下步骤：
第一步，在距离和深度方向分离声场解，计算深度分离的简正波本征值和本征函数；
第二步，计算海底沉积层的波数，求取传播简正波的总号数；
海底环境下沉积层中的波数由如下公式求得：
（3）
其中，为声源频率，为沉积层声速；
将第一步计算所得的所有简正波的本征值的实部与比较，查找本征值的
实部大于的简正波，即得到传播简正波的号数；
第三步，诊断最大号传播简正波在海底的作用深度，该深度减去水深即为远场声传播在海底的透射厚度。
进一步，所述的第一步，在柱对称环境下，三维海洋环境下的声波动方程简化为二维简谐点源Helmholtz方程：
（1）
利用变量分离技术，公式（1）的声压可以表示为
其中，为声压的距离解，为满足如下模态方程的一系列简正波解，包括本
征值和本征函数；
（2）
辅以海面和海底边界条件求解公式（2），得到深度分离下的各号简正波的本征值
和本征函数，其中，为距离，为深度，为声压，为角频率，为声速，为密度，为声源
深度；
进一步，所述的第三步，通过对最大号的传播简正波的本征函数进行诊断，
从水体与海底边界处深度向下诊断，找出函数的实部和虚部的绝对值均衰减到零的
深度，该深度减去水深即为远场声传播在海底的透射厚度。
本发明的原理：当简正波本征值的实部小于沉积层波数时，具有较大的虚
部，对应的第号简正波的振幅随距离指数衰减，称为衰减简正波。衰减简正波只对声
源附近的声场有贡献。在远场 ()，声传播计算过程中只需考虑在海底透射厚度有限
的传播简正波。远场声传播中，最大号的传播简正波在海底衰减最慢，在海底穿透深度最
深。因此，诊断声波在海底的透射厚度，只需提取最大号传播简正波的本征函数，从水
体与海底边界处深度向下诊断，找出该函数的实部和虚部的绝对值均衰减到零的深
度，该深度减去水深即为远场声传播在海底的透射厚度。
本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明提出了一种水下远场声传播在海底透射厚度的诊断方法，声波在海底的透射厚度决定了声波在底质环境的作用区域。不管是底质环境声学调查还是声传播建模领域，都可以参考声波在海底的透射厚度进行截断。因此，远场声传播在海底的透射厚度在海底底质声学调查和声传播建模领域具有应用价值。
本发明创造性发现最大号传播简正波的穿透深度就能够代表远场声传播的穿透深度，通过减去水深获得了远场声传播在海底的透射厚度，从实施例1-3的图中可以证明本发明方法所获得的最大号传播简正波在海底的透射厚度与实际的简正波透射厚度一致。
附图说明
图1是远场声传播在海底透射厚度的诊断流程图；
图2是诊断环境的水体声速剖面；
图3是粗砂底质环境下，声源频率为20 Hz、50 Hz、100 Hz、500 Hz、1000 Hz的最大号传播简正波的本征函数实部和虚部以及海底透射深度；
图4是粉砂底质环境下，声源频率为20 Hz、50 Hz、100 Hz、500 Hz、1000 Hz的最大号传播简正波的本征函数实部和虚部以及海底透射深度；
图5是黏土质粉砂底质环境下，声源频率为20 Hz、50 Hz、100 Hz、500 Hz、1000 Hz的最大号传播简正波的本征函数实部和虚部以及海底透射深度；
图3、4、5中，实线为本征函数实部，虚线为本征函数虚部，箭头所指的横向实线为截断深度，截断深度减去水深即为海底透射厚度。
具体实施方式
下面通过实施例来对本发明的技术方案做进一步解释，但本发明的保护范围不受实施例任何形式上的限制。
诊断远场声传播在海底下透射厚度的具体步骤如下：首先，针对海洋环境下的声
传播，利用KRAKENC简正波模型计算各号简正波的本征值和本征函数，计算设置的
相速度区间要包含水体声速最小值和海底声速最大值。其次，计算海底沉积层波数，通过
比较简正波本征值的实部与沉积层波数的大小，确定海洋环境下传播简正波的总号
数。最后，对最大号的传播简正波的本征函数进行诊断，从水体与海底边界处深度向
下诊断，找出函数的实部和虚部的绝对值均衰减到零的深度，实际操作中可设置接近
于零的阈值0.0001用来判断，该深度减去水深即为远场声传播在海底的透射厚度，诊断过
程流程图如图１所示。具体步骤如下：
第一步，在距离和深度方向分离声场解，计算深度分离的简正波本征值和本征函数；
在柱对称环境下，三维海洋环境下的声波动方程可以简化为二维简谐点源Helmholtz方程：
（1）
利用变量分离技术，公式（1）的声压可以表示为
其中，为满足如下模态方程的一系列简正波解，包括本征值和本征函数；
（2）
辅以海面和海底边界条件求解公式（2），得到深度分离下的各号简正波的本征值
和本征函数，其中，为距离，为深度，为声压，为角频率，为声速，为密度，为声源
深度；
第二步，计算海底沉积层的波数，求取传播简正波的总号数；
海底环境下沉积层中的波数由如下公式求得：
（3）
其中，为声源频率，为沉积层声速；
将第一步计算所得的所有简正波的本征值的实部与比较，查找本征值的
实部大于的简正波，即可得到传播简正波的号数；
第三步，诊断最大号传播简正波在海底的作用深度，该深度减去水深即为远场声
传播在海底的透射厚度。通过对最大号的传播简正波的本征函数进行诊断，从水体与
海底边界处深度向下诊断，找出函数的实部和虚部的绝对值均衰减到零的深度，实际
操作中可设置接近于零的阈值0.0001用来判断，该深度减去水深即为远场声传播在海底的
透射厚度；
声波在不同频率下对于不同沉积层类型具有不同的透射厚度，针对三种沉积层类型下的远场声传播分别进行诊断，三种沉积层参数如表1所示。水体中的声速剖面见图2，水深为109 m，密度为1.0 g/cm3，水体中的衰减系数由如下公式根据频率求得：
其中，频率单位为KHz，衰减系数单位为dB/km。
不同频率的声波具有不同的海底透射厚度，本发明以频率20 Hz、50 Hz、100 Hz、500 Hz、1000 Hz为例进行诊断，诊断结果展示在表1中；
表1三种沉积层类型的声学参数及远场声传播的透射厚度
。
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1：海底底质类型为粗砂时，声传播环境底质参数设置为声速1836 m/s，密
度2.034 g/cm3，衰减系数0.8708 dB/。首先，利用KRAKENC声传播模型计算粗砂底质环境
下简正波的本征值和本征函数，相速度区间设置为(1500, 2000) m/s。海底底质
沉积层波数由求得。20 Hz声源环境下沉积层波数为0.0684 ，水体中仅存在
2号传播简正波，诊断2号传播简正波本征函数实部和虚部的绝对值在深度399 m处衰减到
阈值0.0001以下，从而求得声波在海底的透射厚度为290 m；50 Hz声源环境下沉积层波数
为0.1711 ，水体中存在4号传播简正波，诊断4号传播简正波本征函数实部和虚部的绝
对值在深度239 m处衰减到阈值0.0001以下，从而求得声波在海底的透射厚度为130 m；100
Hz声源环境下沉积层波数为0.3422 ，水体中存在7号传播简正波，诊断7号传播简正波
本征函数实部和虚部的绝对值在深度164 m处衰减到阈值0.0001以下，从而求得声波在海
底的透射厚度为55 m；500 Hz声源环境下沉积层波数为1.7111 ，水体中存在35号传播
简正波，诊断35号传播简正波本征函数实部和虚部的绝对值在深度121 m处衰减到阈值
0.0001以下，从而求得声波在海底的透射厚度为12 m；1000 Hz声源环境下沉积层波数为
3.4222 ，水体中存在70号传播简正波，诊断70号传播简正波本征函数实部和虚部的绝
对值在深度116 m处衰减到阈值0.0001以下，从而求得声波在海底的透射厚度为7 m。粗砂
底质环境下，针对声源频率20 Hz、50 Hz、100 Hz、500 Hz、1000 Hz的诊断结果如图３所示，
图中展示了各声源频率下最大号传播简正波本征函数的实部和虚部，实线为本征函数实
部，虚线为本征函数虚部，从图3中可看出，声源频率20 Hz、50 Hz、100 Hz、500 Hz、1000 Hz
下的最大号传播简正波的本征函数实部（实线）和虚部（虚线）的绝对值在诊断所得的截止
深度（箭头所指的横向实线）处衰减到接近为0，说明本方法针对远场声传播在海底透射厚
度的诊断结果是准确的。
实施例2：海底底质类型为粉砂时，声传播环境底质参数设置为声速1615 m/s，密
度1.740 g/cm3，衰减系数0.9286 dB/。首先，利用KRAKENC声传播模型计算粉砂底质环境
下简正波的本征值和本征函数，相速度区间设置为(1500, 2000) m/s。海底底质
沉积层波数由求得。 20 Hz声源环境下沉积层波数为0.0778 ，水体中仅存
在1号传播简正波，诊断1号传播简正波本征函数实部和虚部的绝对值在深度385 m处衰减
到阈值0.0001以下，从而求得声波在海底的透射厚度为276 m；50 Hz声源环境下沉积层波
数为0.1945 ，水体中存在2号传播简正波，诊断2号传播简正波本征函数实部和虚部的
绝对值在深度217 m处衰减到阈值0.0001以下，从而求得声波在海底的透射厚度为108 m；
100 Hz声源环境下沉积层波数为0.3891 ，水体中存在4号传播简正波，诊断4号传播简
正波本征函数实部和虚部的绝对值在深度159 m处衰减到阈值0.0001以下，从而求得声波
在海底的透射厚度为50 m；500 Hz声源环境下沉积层波数为1.9453 ，水体中存在17号
传播简正波，诊断17号传播简正波本征函数实部和虚部的绝对值在深度120 m处衰减到阈
值0.0001以下，从而求得声波在海底的透射厚度为11 m；1000 Hz声源环境下沉积层波数为
3.8905 ，水体中存在33号传播简正波，诊断33号传播简正波本征函数实部和虚部的绝
对值在深度114 m处衰减到阈值0.0001以下，从而求得声波在海底的透射厚度为5 m。粉砂
底质环境下，针对声源频率20 Hz、50 Hz、100 Hz、500 Hz、1000 Hz的诊断结果如图4所示，
图中展示了各声源频率下最大号传播简正波本征函数的实部和虚部，实线为本征函数实
部，虚线为本征函数虚部，从图4中可看出，声源频率20 Hz、50 Hz、100 Hz、500 Hz、1000 Hz
下的最大号传播简正波的本征函数实部（实线）和虚部（虚线）的绝对值在诊断所得的截止
深度（箭头所指的横向实线）处衰减到接近为0，说明本方法针对远场声传播在海底透射厚
度的诊断结果是准确的。
实施例3：海底底质类型为黏土质粉砂时，声传播环境底质参数设置为声速1546
m/s，密度1.489 g/cm3，衰减系数0.1475 dB/。首先，利用KRAKENC声传播模型计算黏土质
粉砂底质环境下简正波的本征值和本征函数，相速度区间设置为(1500, 2000)
m/s。 海底底质沉积层波数由求得。20 Hz声源环境下沉积层波数为0.0813 ，
水体中不存在传播简正波；50 Hz声源环境下沉积层波数为0.2032 ，水体中存在1号传
播简正波，诊断1号传播简正波本征函数实部和虚部的绝对值在深度358 m处衰减到阈值
0.0001以下，从而求得声波在海底的透射厚度为249 m；100 Hz声源环境下沉积层波数为
0.4064 ，水体中存在2号传播简正波，诊断2号传播简正波本征函数实部和虚部的绝对
值在深度236 m处衰减到阈值0.0001以下，从而求得声波在海底的透射厚度为127 m；500
Hz声源环境下沉积层波数为2.0321 ，水体中存在7号传播简正波，诊断7号传播简正波
本征函数实部和虚部的绝对值在深度130 m处衰减到阈值0.0001以下，从而求得声波在海
底的透射厚度为21 m；1000 Hz声源环境下沉积层波数为4.0642 ，水体中存在10号传播
简正波，诊断10号传播简正波本征函数实部和虚部的绝对值在深度122 m处衰减到阈值
0.0001以下，从而求得声波在海底的透射厚度为13 m。黏土质粉砂底质环境下，针对声源频
率20 Hz、50 Hz、100 Hz、500 Hz、1000 Hz的诊断结果如图5所示，图中展示了各声源频率下
最大号传播简正波本征函数的实部和虚部，实线为本征函数实部，虚线为本征函数虚部，从
图5中可看出，声源频率50 Hz、100 Hz、500 Hz、1000 Hz下的最大号传播简正波的本征函数
实部（实线）和虚部（虚线）的绝对值在诊断所得的截止深度（箭头所指的横向实线）处衰减
到接近为0，说明本方法针对远场声传播在海底透射厚度的诊断结果是准确的。
Claims (3)
1.一种水下远场声传播在海底透射厚度的诊断方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
第一步，在距离和深度方向分离声场解，计算深度分离的简正波本征值和本征函数；
第二步，计算海底沉积层的波数，求取传播简正波的总号数；
海底环境下沉积层中的波数由如下公式求得：
（3）
其中，为声源频率，/>为沉积层声速；
将第一步计算所得的所有简正波的本征值的实部与/>比较，查找本征值/>的实部大于/>的简正波，即得到传播简正波的号数；
第三步，诊断最大号传播简正波在海底的作用深度，该深度减去水深即为远场声传播在海底的透射厚度。
2.根据权利要求1所述的一种水下远场声传播在海底透射厚度的诊断方法，其特征在于，所述的第一步，在柱对称环境下，三维海洋环境下的声波动方程简化为二维简谐点源Helmholtz方程：
（1）
利用变量分离技术，公式（1）的声压可以表示为
，
其中，为声压的距离解，/>为满足如下模态方程的一系列简正波解，包括本征值和本征函数/>；
（2）
辅以海面和海底边界条件求解公式（2），得到深度分离下的各号简正波的本征值和本征函数，其中，为距离，/>为深度，/>为声压，/>为角频率，/>为声速，/>为密度，/>为声源深度。
3.根据权利要求1所述的一种水下远场声传播在海底透射厚度的诊断方法，其特征在于，所述的第三步，通过对最大号的传播简正波的本征函数进行诊断，从水体与海底边界处深度向下诊断，找出函数/>的实部和虚部的绝对值均衰减到零的深度，该深度减去水深即为远场声传播在海底的透射厚度。
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| CN117249894B (zh) | 2024-04-05 |
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