基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区增益计算方法技术

本发明专利技术提出基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区增益计算方法，本发明专利技术在深海完整声道情况下，利用射线简正波理论分析了典型的深海Munk声速剖面情况，得到了声压的表达式，根据声压的表达式计算出声强，并在中心频率三分之一倍频程的带宽内计算了能量平均的声强值，依此计算了能量平均的传播损失值，然后计算了下会聚区焦散线处的球面波扩展损失值，将能量平均的传播损失值与球面波扩展损失值进行了比较，从而求出了下焦散线会聚区处的增益值，从结果证明了本发明专利技术所提出的增益计算方法有很好的效果。

Calculation method of caustics convergence area gain under the complete sound channel of deep sea based on ray normal wave theory

【技术实现步骤摘要】
基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区增益计算方法
本专利技术属于水声物理
，特别是涉及基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区增益计算方法。
技术介绍
深海会聚区对于深海远程声传播有着重要的意义，许多学者都对其进行过研究。当声源位于海面附近时，在海面附近会形成声强很高的焦散线和会聚区。所谓焦散线指的是临近声线交聚点所形成的的包络线，会聚区指的是海面附近形成的高声强焦散区域。声强异常为球面传播损失高于会聚区传播损失的分贝值。1961年Hale从实验中观测到了很强的会聚效应，在会聚区中的信号比其他途径传播的信号高出20-25dB，并利用声线图做了研究。1965年Urick研究了声源位于较深深度时会聚区的变化，发现当声源深度增加时，会聚区逐渐分为两侧，左半区向左移动，右半区向右移动，两个半区的增益约为5-10dB。张仁和对深海反转点会聚区以及深海负梯度反转点会聚区做了相关的研究，发现会聚增益约为20dB。目前国内外学者所做的研究，多是针对位于海面的会聚区且对于增益的研究，多是集中于前三个会聚区。然而，对于海面附近的会聚区，在传播距离增大之后，会聚区的宽度展宽，声强的增益也有所衰减，在远距离的会聚效应有所衰减会聚增益也衰减较大。
技术实现思路
本专利技术目的是针对海面附近会聚区在远距离处增益明显降低的问题，提出了基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区增益计算方法。所述方法针对深海大深度焦散线会聚区在远距离传播时宽度展宽不大，利用射线简正波理论求得了焦散线会聚区的增益。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区增益计算方法，所述方法包括以下步骤：步骤一：假设海水为分层介质，声速为典型的Munk深海声速剖面，表达式如下：c(z)＝c0{1+ε[e-η-(1-η)]}(1)其中，c(z)表示深度在z处的声速，z指的是深度，η＝2(z-z0)/B，z0为声道轴的深度，B为波导宽度，c0为声速极小值，ε为偏离极小值的量级；对于简谐点源激发的声场，声压能够表示为各阶简正波之和的形式：其中，P(r,z)指的是水平距离r处，深度为z处的声压值；ρ为海水的密度，i为虚数单位，为声源处的本征函数值，为z处的本征函数值，km为本征值；声强的定义为声压模的平方，即：其中，I(r,z)为水平距离r处，深度为z处的声强；步骤二：对于宽带信号，根据步骤一中得出的声强值，以中心频率的三分之一倍频程带宽进行平滑平均，频带内声场能量平均计算公式为：其中，表示中心频率为f0的平均声强，Δf为频带宽度；f为频率；在得到频带内声场平均能量后，根据传播损失计算公式计算频带内的频率平均传播损失：其中，表示中心频率为f0的平均传播损失；根据下焦散线会聚区的位置，从频带内的频率平均传播损失中提取出下焦散线会聚区处的传播损失值；步骤三：根据球面波扩展损失的理论公式以及下焦散线会聚区的位置公式，计算下焦散线会聚区处球面波扩展损失的值，将下焦散线会聚区处频率平均传播损失与球面波扩展损失对比，得出下焦散线会聚区的增益；其中，TL球表示球面波扩展损失，r为水平距离，z为垂直深度。进一步地，海洋环境为完整声道，即海底声速大于海面声速，且海洋环境为分层环境。进一步地，对频带内声场进行能量平均时的步长为1Hz。进一步地，所述下焦散线会聚区为能够达到海底的RSR型焦散线会聚区。本专利技术针对海面附近会聚区远距离时会聚区增益降低的问题，提出了基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区增益计算方法，本专利技术利用射线简正波理论对深海完整声道的下焦散线会聚区传播损失进行了求解，并与球面波扩展损失进行了比较，得到了下焦散线会聚区增益。其结果表明：利用本专利技术所提出的基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区增益计算方法能够有效地求出下焦散线会聚区的增益。附图说明图1为深海Munk声速剖面示意图；图2为下焦散线会聚区位置示意图；图3为下焦散线会聚区传播损失与球面波扩展对比图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提出基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区增益计算方法，所述方法包括以下步骤：步骤一：假设海水为分层介质，声速为典型的Munk深海声速剖面，表达式如下：c(z)＝c0{1+ε[e-η-(1-η)]}(1)其中，c(z)表示深度在z处的声速，z指的是深度，η＝2(z-z0)/B，z0为声道轴的深度，B为波导宽度，c0为声速极小值，ε为偏离极小值的量级；对于简谐点源激发的声场，声压能够表示为各阶简正波之和的形式：其中，P(r,z)指的是水平距离r处，深度为z处的声压值；ρ为海水的密度，i为虚数单位，为声源处的本征函数值，为z处的本征函数值，km为本征值；声强的定义为声压模的平方，即：其中，I(r,z)为水平距离r处，深度为z处的声强；步骤二：对于宽带信号，根据步骤一中得出的声强值，以中心频率的三分之一倍频程带宽进行平滑平均，频带内声场能量平均计算公式为：其中，表示中心频率为f0的平均声强，Δf为频带宽度；f为频率；在得到频带内声场平均能量后，根据传播损失计算公式计算频带内的频率平均传播损失：其中，表示中心频率为f0的平均传播损失；根据下焦散线会聚区的位置，从频带内的频率平均传播损失中提取出下焦散线会聚区处的传播损失值；步骤三：根据球面波扩展损失的理论公式以及下焦散线会聚区的位置公式，计算下焦散线会聚区处球面波扩展损失的值，将下焦散线会聚区处频率平均传播损失与球面波扩展损失对比，得出下焦散线会聚区的增益；其中，TL球表示球面波扩展损失，r为水平距离，z为垂直深度。海洋环境为完整声道，即海底声速大于海面声速，且海洋环境为分层环境。对频带内声场进行能量平均时的步长为1Hz。所述下焦散线会聚区为能够达到接近的海底的RSR型焦散线会聚区。本专利技术在深海完整声道情况下，利用射线简正波理论分析了典型的深海Munk声速剖面情况，得到了声压的表达式，根据声压的表达式计算出声强，并在中心频率三分之一倍频程的带宽内计算了能量平均的声强值，依此计算了能量平均的传播损失值，然后计算了下会聚区焦散线处的球面波扩展损失值，将能量平均的传播损失值与球面波扩展损失值进行了比较，从而求出了下焦散线会聚区处的增益值，从结果证明了本专利技术所提出的增益计算方法有很好的效果。...

【技术保护点】
1.基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区增益计算方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：/n步骤一：假设海水为分层介质，声速为典型的Munk深海声速剖面，表达式如下：/nc(z)＝c

【技术特征摘要】
1.基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区增益计算方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：假设海水为分层介质，声速为典型的Munk深海声速剖面，表达式如下：
c(z)＝c0{1+ε[e-η-(1-η)]}(1)
其中，c(z)表示深度在z处的声速，z指的是深度，η＝2(z-z0)/B，z0为声道轴的深度，B为波导宽度，c0为声速极小值，ε为偏离极小值的量级；
对于简谐点源激发的声场，声压能够表示为各阶简正波之和的形式：



其中，P(r,z)指的是水平距离r处，深度为z处的声压值；ρ为海水的密度，i为虚数单位，为声源处的本征函数值，为z处的本征函数值，km为本征值；
声强的定义为声压模的平方，即：



其中，I(r,z)为水平距离r处，深度为z处的声强；
步骤二：对于宽带信号，根据步骤一中得出的声强值，以中心频率的三分之一倍频程带宽进行平滑平均，频带内声场能量平均计算公式为：



其中，表示中心频率为f...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴胜春，栗子洋，张明辉，雷亚辉，宋扬，王笑寒，郭俊媛，龚李佳，张海刚，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23