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Kraken海洋声学模型及其声传播与衰减的数值试验_李佳讯.pdf

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第 27 卷第 1 期 2009 年 1 月 海 洋 科 学 进 展 A DV A N CES IN M A RIN E SCIEN CE V ol .27 N o.1 January , 2009 Kraken 海洋声学模型及其声传播 与衰减的数值试验 * 李佳讯1 , 张 韧1 , * , 王彦磊2 , 黄志松1 , 张丽华3 (1 .解放军理工大学 气象 学院, 江苏 南京 211101 ; 2.解放军 61741 部队, 北京 100081 ;3 .空军上海指挥所 气 象中心, 上海 200433) 摘 要:针对射线、简正波、PE 、FF P 等传 播模型的算法原理 及其适用的海洋环境 , 建立了 以 K raken 声学模型计 算 软件 为基础的海洋声场数值预报系统。 应用该预报系统 对 4 组 典型的 海洋声场 进行了 数值试 验, 结果表明 :在 相 同的海面和海底边界条件下, 声场分布是由声速 剖面和声源位置决定的。 在负梯度声 场中, 所 有声线都 折向海底, 在极限声线外产生阴影区。 声源位于声道轴附近的温 跃层中 会产生波 导传播。 用射线 理论解释 了上述 现象的 成 因, 指出了其实际应用价值。 关键词:K raken 模型;传播损失;声场预报;声纳探测 中图分类号:P733 .21     文献 标识码:A      文章编号:1671-6647(2009)01-0051-08 海水是一种导电介质 。辐射向海洋的电磁波会被海水介质本身所屏蔽, 极大部分的能量以涡流损耗的 形式被海水吸收 , 使电磁波在海水中的传播距离有限。 而声波在海水中传播时的损耗要比电磁波小得多 , 因 而声波是能够在海水介质中进行远距离信息传输的有效载体 。研究声波在海洋中的传播, 是理解和预测所 有其他水声现象的基础。 而海洋声场的数值计算和预报是进行海洋混响、噪声 、反演 、匹配场处理 、声层析等 研究的基础, 是现代声纳设计使用中的重要课题。 根据海洋环境因素对声场的制约 , 可以建立物理模型和数 学模型, 把可测得的海洋环境参数值代入计算机程序完成数值计算和有关场值的预报[ 1] 。 目前所发展的声场数值预报方法主要有射线算法 、简正波算法 、抛物方程(P E)算法和快速声场程序法 (FF P)等[ 2 , 3] 。 射线算法是把声波的传播看成一束无数条垂直于等位相面的声线的传播 , 直观简洁, 适用介 质及边界的水平变化 。还能给出除场强外的其他信息(如到达时间等), 但不能应用于声影区 、汇聚区。 简正 波算法是近年来研究较多 、发展较快的一种算法。 它解释波动方程的精确积分解, 计算时必须给出海底结构 情况 。当因频率较高需要计算的阶数较大时 , 由于计算量较大, 速度较慢。 P E 算法是波动方程的窄角(<± 20°)近似解, 较易解决水平梯度问题。 它考虑了声波的衍射及各号简正波的耦合效应。 P E 算法可以计算全 场解 , 对低频问题计算速度很快, 但当频率增高、深度加大时 , 计算时间迅速增加 。 FF P 算法适用于水平分 层非均匀介质条件, 求解应用了快速傅里叶变换(FF T)技术。 各种算法都有利弊, 应根据具体问题的特点选择适合的算法 。本文所进行的声传播与衰减数值试验考 虑深海远程宽角度的声传播和海洋环境的水平分层对称性 , 因而选用 K raken 简正波模型。 * 收稿日期 :2007-12-07 资助项目 :国家重点基础研究发展计划项目 ———基于全球实时海洋观测计划(A rgo)的上层海洋结构 、变异及预测研究(2007CB816000) 作者简介 :李佳讯(1984-), 男, 辽宁铁岭人 , 硕士研究生 , 主要从事物理海洋学方面研究 . *通讯作者 :张  韧 , 博士 , 教授 , 博士生导师 , 主要从事海洋环境与海气相互作用方面研究 .E-mail:z ren63@126.com (高 峻 编辑)
52 海 洋 科 学 进 展 27 卷 1  K raken 简正波模型 1 .1  模型结构 K raken 程序是基于简正波理论的声传播计算软件 , 是海洋声学工具箱的模型化工具中的一部分 。 它是 由美国海军海洋系统 中心(N O SC)和美 国海军研 究实验室(N R L)联合研制开发的 , 经过 8 种不同海 洋环境中的测试并与真实数据的比较 , 证实该模型 是正确有效的 。经过 20 多 a 的不断发展完善, 现 [ 4-6] 。 在已经 成为 评 估其 他 的新 开发 模 型的 标 准 K raken 程序是由多个模块构成的 , 不同的模块分 别具有不同的功能(图 1)。 功能主要分成 3 个 :1) 模式计算 , 包括 K raken , K rakenc 及 K rakenl ;2)声 场计算程序;3)绘图程序。 1 .2  算法原理 在分层介质条件下, 简正波方程的解是一个复 杂的特征值问题 。 K raken 简正波模型是用有限差 分方法解简正波方程的, 可以得到快速精确的解。 它将整个海水深度 D 划分为 N 个等间隔的宽度 h =D/ N , 相应地得到 N +1 个点。 采用有限差分近似 , 可 将简正波方程的连续问题化为线性代数中的特征值问题。 采用 K raken 方法根据绝热假设和 WK B 近似可 得波压场的解[ 6 , 7] : Fig.1 Str ucture o f the K r aken prog ram blocks 图 1  K raken 程序包的模块结构 p(r , z)= i ρ(z s) 8πr -iπ/4 ∑∞ m=1 e Χm(z s)Χm(z)e ik r m k m (1) 式中 , r 为水平距离, z 为深度 ,ρ为海水密度 , z s 为源深, s =0 , 1 , … , N ;Χm 和 k m 分别是求得的第 m 个特征 向量和特征值, m =1 , 2 , …, ∞。 由传播损失定义式: TL(r , z)=-20 lg | p(r , z) p 0(r =1)| (2) , 式中 , k0 为波数, p 0(r)代表声源在自由空间中的声压 , 将式(1)代入式(2)即可计算传播 r 0 其中 p0(r)=eik 4πr 损失 。 2  试验数据和方法 2 .1  Argo 剖面浮标观测资料 本文所用资料来源于中国 A rgo 实时资料中心提供的 A rg o 浮标观测资料[ 8] 。 这些资料已经经过资料 中心的实时质量控制 , 主要包括剖面位置和时间检验、温盐度极值检验、漂移速度检验、压力检验、毛刺检验 及密度反转检验等。 同时 , 剔除观测层次少于 10 层或最大压强观测值小于 500 dB 的剖面[ 9] 。 根据 A rg o 中心提供的海洋内部温盐观测资料 , 我们采用伍德声速近似计算公式 [ 10] 计算声速 :
1 期 李佳讯, 等:K rake n 海洋声学模型及其声 传播与衰减的数值试验 式中 , c 为声速(m/ s), t 为温度(℃), S 为盐度 , d 为深度(m), 这样就可以得到声速剖面(SSP)。 c =1 450 +4 .206t -0 .036 6t2 +1 .137(s -35)+0 .017 5d 53 (3) 2 .2  海洋声场数值预报系统 [ 11] 海洋声场的数值预报问题是现代声呐设计和使用中所提出的重要课题 。在建立了能够反映海洋环境因 素对声场的制约关系的海洋声学模型的基础上, 根据可测海洋环境参数的测量值或预报值 , 就可以编程 , 由 计算机完成声场的数值计算, 进而实现海洋声场快速精确预报。 比如陈治国等 曾基于射线模型和抛物方 程模型研究了海洋锋 、涡旋的声场能量传播规律, 对 4 种海洋声场做出了比较准确的数值预报 。本文借鉴该 思路 , 用 M atlab 编程设计了一个海洋声场数值预报系统的可视化 G U I 界面, 该系统以 K raken 简正波模型 计算软件为核心 , 还包括 Bellho p 射线模型 、Sco oter 有限元模型和 Sparc 时域步进模型, 可用于典型海洋声 场传播规律和传播损失的数值试验 。系统的流程图见图 2 。该系统的流程:首先打开系统主界面 , 然后从海 洋环境数据库中选择试验海域的水声环境资料, 在编辑窗口设定海面、海底边界类型及参数值 , 确认输入完 成后即可生成环境文件(Envf il)。 接着 , 可以根据试验需求选择绘制声速剖面图 , 或者直接跳到下一步选择 声场模型 , 选中 4 个模型中的 1 个即可运行该模型完成声场数值计算。 待系统提示计算结束后 , 选择“绘制 水声传播模型计算结果”菜单 , 它有以下命令供选择:绘制声线图 、绘制格林函数图、绘制简正模形状图、绘制 声传播损失伪彩图、绘制随深度的传播损失图 、绘制随距离的传播损失图。 根据研究需要选中一个或多个选 项即可给出试验结果图。 最后退出声场预报系统 。 本文从西北太平洋海域 2002 —2006 年的 A rgo 资料库中选取 4 组典型的海洋环境声场资料 , 利用该数 值预报系统研究各种类型声场的分布、传播和衰减特性 。 图 2 海洋声场数值预 报系统流程图 Fig .2  T he flo w char t of oceanic aco ustic field numerical fo recast sy stem
54 海 洋 科 学 进 展 27 卷 3  声传播与衰减的数值试验 下面的数值试验均采用相同的海底和海面边界条件:由于海面空气的介质阻抗远小于海水的介质阻抗, 故海面的边界条件取绝对软边界, 在一般海况条件下假设海面为平面 , 海面粗糙度 σs 为 0 .0 。 海底取为砂 底, 海底参数 ρ=2 .034 ×103 kg/ m3 , 声速 c =1 836 m/ s , 衰减系数 k =0 .47 。模拟试验中分别选取各声速剖 面的下限作为水深。 3 .1  试验 1  负梯度型 水深取为 1 100 m 。 模型参数 :声源 1 个, 声源频率 f =1 000 H z , 声源深度为 z s =100 m , 接受器均匀地 布设在垂直方向上 0 ~ 1 100 m 深度上的 201 个点和水平方向上 0 ~ 150 km 的 1 001 个点上。 声束柱数 100 , 初始掠射角为-10°~ 10°。 海洋上层因太阳照射 , 表层水温较高, 次表层水温较低 , 出现声速随水深增加而减小的现象, 其相应的声 速剖面图如图 3 。 这种情况通常发生在夏季中、低纬度海区, 表层以下及次表层海水一般形成负梯度 。 数值 试验的结果(图 4)显示 :在负梯度剖面情况下, 几乎所有的声线都向下折射, 与海面相切的是极限声线, 在极 限声线以外是阴影区 , 阴影区的分布与初始掠射角有关 。可以用射线声学的理论解释这种现象, 在负梯度下 声速随深度下降 , 根据 Snell 定律 , 掠射角 α随深度增加而增大 , 从而声线弯向海底。 在大洋的典型情况下, 从源到阴影区的距离只有几公里。 当然 , 阴影区并不是零声强区 , 少量的声能会因衍射和海底反射以及介质 散射而照射阴影区。 图 3 负梯度型声速 剖面图 Fig.3 Sound speed pro file (SSP)w ith 图 4  负梯度型对应的声传播损失场图 F ig .4  So und propaga tion lo ss co rre sponding to the the nega tive sound g radient negative sound g radient 负梯度型声场的实际应用价值在于由于几乎所有声线都会弯向海底, 在极限声线外形成阴影区, 从而会 大大缩短声纳有效探测距离。 3 .2  试验 2  表面声道型 水深取为 2 000 m 。 模型参数 :声源 1 个 , 声源频率 f =1 000 H z , 声源深度为 z s =50 m , 接受器均匀布 设在垂直方向上 0 ~ 2 000 m 深度上的 201 个点和水平方向上 0 ~ 150 km 的 1 001 个点上 。声束柱数 100 , 初始掠射角为-10°~ 10°。 世界大部分洋区的海面下大多存在 1 个等温层, 由于湍流 、对流以及风吹动海面对海水的搅拌, 形成了
1 期 李佳讯, 等:K rake n 海洋声学模型及其声 传播与衰减的数值试验 55 这种等温层, 又叫“混合层” 。 层内 , 由于海水静压力对声速的影响 , 声速将随深度而增加直至“主温跃层” 。 在声速极小值以下又为等温层 。由于在这 2 个区域均有微弱的正梯度, 从而形成良好的传播条件 , 声速剖面 图见图 5 。数值试验结果(图 6)显示:在这种声速剖面条件下 , 在海表层形成了表面声道 。 声波在表面声道 中的传播能量损失很小, 所以可以传播很远的距离 。利用这种规律, 可以达成远距离通信和进行水声对抗。 另外发现在表面声道以下 , 会有部分的声线传播。 这是由于声线每次与海面相碰时都会有一部分声能量被 散射出声道, 其结果使声道内的声场衰减, 声道以下区域的声级增加 。当然相对而言, 声道中的声场衰减还 是很弱的 , 对声波的远距离传播影响不大。 图 5  声道型声速剖面图 图 6 表面声道 型对应的声传播损失场图 Fig.5 Sound speed pro file (SSP)w ith Fig .6 Pro pag atio n lo ss within a so und channe l lo cating a so und channel in the surface lay er 3 .3  试验 3  深海 SOFAR 声道型 试验参数设置同试验 2 , 只是把声源置于 500 m 深处, 即 z s =500 m 。 将编辑好的环境文件等输入声场 数值模拟系统得到的数值试验结果如图 7 所示。 发现声源位于声道轴附近的温跃层中时, 声线会集中在厚 度有限的层中, 声波能量传播衰减很小 , 使得声波可以传播很远的距离, 从而形成了深海声道传播 。 根据射 线声学原理 , 当声源置于 500 m 时 , 它处于温跃层中, 声波向上(下)传播时 , 声线将向下(上)弯曲 , 到达声速 极小值所在的深度后 , 开始向相反的方向弯曲 , 如此反复, 使得大部分声能被限制在声速极小值上下一定厚 度的水层中传播 , 又因为没有经过海面和海底反射和吸收 , 能量损失很小, 因而能传播很远的距离 。 物体在 水下活动时, 如避开声道 , 在声道上下水层的声影区中活动 , 则避免被发现 。 图 7  深海声道型声传播损失场图 Fig.7 P ro pag atio n loss within a so und channel lo ca ting in a deep lay er
56 海 洋 科 学 进 展 27 卷 综合分析试验 2 和试验 3 的数值试验结果, 可以看到:在图 5 典型的声速剖面情况下, 上层声道轴位于 海表面, 而下层声道轴在某一深度处, 表面声道和深海声道同时存在 , 即形成了双轴水下声道。 我们注意到 对于相同的声速剖面图, 声源的深度不同, 形成的声场结构和传播规律也各异。 3 .4  试验 4  焦散线型 声速剖面图如图 8 所示, 水深取为 2 000 m 。 模型参数:声源 1 个 , 声源频率 f =1 000 H z , 声源深度 z s =400 m , 接受器均匀布设在垂直方向上 0 ~ 2 000 m 深度上的 201 个点和水平方向上 0 ~ 100 km 的 1 001 个点上。 声束柱数 100 , 角度初始掠射角为 -14°~ 14°。海面粗糙度 σs 为 0 .0 。 海洋环境的折射属性是一定数量的相邻声线聚集在一起时, 就形成焦散线(图 9)。存在 2 种类型:平滑 的和尖顶的。尖顶的焦散线是 2 个平滑焦散线的交点 。根据图 9 分析声场传播特性 , 可以得到:在焦散线的 上方 , 声场的空间震荡是由射线的干涉所致;在焦散线的下方, 没有声线进入, 这里形成了声影区。 在声影区 中, 声场随着离焦散线边界距离的增加而急剧衰减 。 图 8 焦散线型声速 剖面图 F ig .8  So und speed pr ofile(SSP) with the caustics 图 9 焦散 线型声传播损失场图 F ig .9  Pr opagatio n lo ss in the sound field with the cusped and the smo o thed so und tracks 4  结  语 为了验证以 上结 果 是否 准 确, 将模 拟 结果 同 前人 开 展实 际 大洋 声 场 实验 所 得的 结 果 进行 比 较。 [ 12] 在百慕大群岛海域的断面上进行的声传播衰减实验条件与本文试验 1 相同, 他在实验数据的基础 U rick 上得到衰减系数的经验表达式和声线图 , 与本文模拟结果符合很好。 文献[ 13-15] 给出了在大西洋 2 个海区 和太平洋 2 个海区用单频脉冲发射的 4 组声场测量结果, 其中的第 2 个实验是在大西洋深水区存在双声道 条件下进行的, 和本文的试验 2 , 3 的条件相同 ;第 4 个实验是在太平洋深水区存在水下声道的条件进行的, 和本文试验 4 的条件相同 。通过和实际大洋声场实验结果[ 12-15] 的比较可知 , 本文的模拟试验结果和前人的 实验结果基本吻合。 需要说明的是 , 由时间和空间上变化着的海洋介质和界面参数所决定的声场 , 也随时间 和空间而变, 声场计算模型不可能把这些复杂因素全部考虑在内 , 所以本文采用的声场模型模拟结果和实际 声学实验结果在细微处存在一定的差异 。但考虑到实验室的客观条件和成本的限制, 声场的数值模拟实验 研究的必要性不言而喻。 以往对声波传播和衰减数值模拟试验研究多是利用海洋环境预报模式结果作为输入, 由于模式本身存 在的缺乏客观、准确的要素初始场等而可能导致结果不准确性的问题无法克服 , 本文提出一种新途径 :利用 A rgo 实测资料, 以 K raken 声学模型计算软件为基础建立海洋声场数值预报系统 , 应用该系统进行了海洋
1 期 李佳讯, 等:K rake n 海洋声学模型及其声 传播与衰减的数值试验 57 声场数值模拟试验, 对目标海区典型的声场结构进行了声线路径模拟和传播损失的计算仿真 , 并且通过与前 人进行的实际大洋声场实验的结果比较证实本文的模拟结果是准确可信的 。通过以上研究, 得到以下结论: 1)利用 A rgo 实测资料结合 K raken 模型对声传播与衰减进行数值试验的研究效果很好, 并通过与实测 数据比较证明这一途径是可行的。 2)声传播损失受到声源位置, 发射频率和接收深度的影响。 在声源深度为 50 m 和频率为 1 000 H z 的 情况下, 对于不同接收深度, 在声道内和声影区的传播损失的差别可达 50 dB 左右。 本文所选取的海面和海底环境还都是比较理想的 , 海浪 、内波等复杂的海洋环境对声场的影响还未加以 考虑 , 而且所选取的模型是二维的 , 无法三维模拟实际海洋的情况。 更复杂的海域环境声场的建模仿真 、全 球大洋声场区划和不同海域声场环境下对水下航线的风险评估还有待以后逐步研究完成 。 参考文献(References): [ 1]  E T TER P C .U nderw ater A coust ic M odeli ng and S imul at ion[ M] .3rd ed.Bei jing :Publis hing Hous e of Elect ronics Indus try , 2005.艾特 P C .水声建模与仿真[ M] .第 3 版 .北京 :电子工业出版社 , 2005. [ 2]  W A N G D Z , SH A N G E C .U nderw ater A coust ics[ M] .Bei ji ng :S cien ce Pres s, 1981.汪德昭 , 尚尔昌 .水声学[ M] .北京 :科学出版社 , 1981. [ 3]  LIU B S , LEI J Y.The Pri nciple of U nderw at er A cous tic[ M] .Haierbin:H aierbin Engineering U niversit y Pres s, 1993.刘伯胜 , 雷家煜 . 水声学原理[ M] .哈尔滨 :哈尔滨工程大学出版社 , 1993. [ 4]  M IC HA E L B P , REISS E L.A numeri cal m et hod for ocean acoust ic normal modes[ J] .J.A coust .S oc.A m ., 1984, 76:244-252. [ 5]  M IC HA E L B P , JEN S EN F B , FER LA C M .The p robl em of energy conservation i n one-w ay model s[ J] .J.A cou st .Soc.A m ., 1991, 89:1058-1067. [ 6]  M IC HA E L B P .Th e K RA K EN normal mode program (D R A FT)[ R] .LaSpezi a:SA C LA N T U ndersea Research Cent re, 1991. [ 7]  ZH A NG X .A n analy sis of shallow w at er channel using K rak en n ormal model[ J] .J ournal of N ort hw es tern Polyt echnical U niversit y , 2000, 18(3):405-408.张歆 .基于 K raken 简正波模型的浅海声场分析[ J] .西北工业大学学报, 2000, 18(3):405-408. [ 8]  C hina A rg o Real-t ime Dat a Cen ter .A rgo D ata[ EB/ O L] .[ 2007-10-01] .ht t p:∥w ww .argo .org .cn.中国 A rgo 实时资料中心 .A rgo 资料 [ E B/ O L] .[ 2007-10-01] .ht t p:∥ww w .argo .org .cn. [ 9]  X U J P .The Ex ploration of A RG O observat ion i n t he global oceans[ M] .Beijing :O cean Pres s, 2002.许建平 .阿尔戈全球海洋观测大探 秘[ M] .北京 :海洋出版社 , 2002. [ 10]  LU G Y , Y A N G S Z.The Remot e-measu re w it h U n derw ater A cou sti cs[ M] .Beiji ng :O cean Press, 1983.卢光瑛 , 杨 世周 .水声遥 测 [ M] .北京 :海洋出版社 , 1983. [ 11]  C HEN Z G , ZHA N G X , ZH A NG X H .O cean acou sti c f ield predict ion and tact ical app li cati on[ J] .S hi p S cien ce and T ech nology , 2005, 27(4):66-69.陈治国 , 张星 , 章新华 .海洋声场预报及战术应用[ J] .舰船科学技术 , 2005, 27(4):66-69. [ 12]  U RICK R J.Low-f requency sound at tenuati on in t he deep ocean[ J] .J.A cou st .Soc .A m ., 1963, 39(N 9):1413-1422. [ 13]  A G EEV A N S .Experim en tal det erm ination of t ransmi ssion charact eris ti cs i n th e ocean[ C] ∥The P roceedi ng of 7t h Internati onal C on- gress on A cous tic, Budapest :[ s.n] , 1971:581-583. [ 14]  W EBB D C , T U CH ER M J.T ransmi ssion ch aract eri st ics of t he S of ar channel[ J] .J.A coust .S oc.A m ., 1970, 48(3):767-769. [ 15]  S PEXO BCK N X J M .O cean A coust ics[ M] .Beijing :S cience Press, 1983.布列霍夫斯基 J M .海洋声学[ M] .北京 :科学出版社 , 1983.
58 海 洋 科 学 进 展 27 卷 Kraken Marine Acoustic Model and Its Numerical Experiment for Acoustic Propagation and Decay LI Jia-xun1 , Z HA NG Ren1 , WA N G Y an-lei2 , H U A N G Z hi-so ng1 , Z H A NG Li-hua3 (1.I nstitute of Meteorolog y , PL A Univ .of Sci .&T ech ., Nanjing 211101 , China; 2 .N o.61741 T roops of PL A , Beijing 100081 , China; 3 .Meteorological Center of S hanghai Air f orce Command Post , Shang hai 200433 , China) Abstract:A ccording t o alg orit hm ic principles f or acoustic propagati on m odels , such as ray model , no rmal w ave model , PE , and F FP et c, and thei r respecti ve applicabi li ties to m arine envi ronment s , an aco ustic field numerical f orecast sy st em is establi shed on the basis of co mput atio nal sof tw are o f K raken aco ustic model , and used t o t he 4 ki nds of typical aco ustic fields .A s sho w n in t he resul ts , t he acoust ic f ield di st ri- butio n depends upo n t he so und speed profiles and t he so und source location if t he surface and bo t tom bo undary conditi ons keep the same.If t he aco ustic field has a negat ive gradient , all the ray s become ref rac- ted t ow ard the sea bo t tom , and a shadow zone appears f urther aw ay fro m t he marginal ray .If the sound source is located in t he thermocli nes closely t o t he cent ral axis of a sound channel , the sound is propagated along the w ave-guide .T heref o re the above-described phenomena can be explained i n lig ht of t he ray theo- ry .A lso t heir applicabilit ie s in t he practical sense are pointed out . Key words:K raken mo del ;propagati on loss ;acoustic field prdiction ;so nar detection Received:December 7 , 2007
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