淺海聲場(chǎng)相干特性研究

萬(wàn) 駿

（三峽大學(xué) 湖北 宜昌 443003）

1 引言

當(dāng)聲音在淺海中進(jìn)行傳播時(shí)，淺海中的介質(zhì)會(huì)引起聲音與聲音周圍邊界的非均勻聲散射，散射反向性的聲波會(huì)與聲源的接收器聲音產(chǎn)生疊加形成混響，散射的聲波會(huì)釋放能量引起接收信號(hào)聲波幅度發(fā)生較大波動(dòng)，頻率產(chǎn)生非均勻變化。聲波受淺海影響會(huì)出現(xiàn)多段短聲波多途到達(dá)接收器，使得接受聲波在相位關(guān)系上存在著隨機(jī)性變化，因此會(huì)出現(xiàn)在同一淺海位置不同時(shí)間發(fā)出聲源，接受點(diǎn)回收信號(hào)會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生不規(guī)則變化的現(xiàn)象。

接收點(diǎn)接受信號(hào)之所以會(huì)發(fā)生隨時(shí)間不規(guī)律變化很大程度上是受到了內(nèi)波動(dòng)等淺海海洋動(dòng)力的影響。本文將進(jìn)行公式推導(dǎo)與數(shù)值仿真兩種方式進(jìn)行對(duì)于淺海聲場(chǎng)相干特性的研究，在仿真方面通過(guò)對(duì)于2014年南海海域中存在的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿真，在公式推導(dǎo)方面進(jìn)行對(duì)于空氣聲源聲場(chǎng)相干特性分析與淺海聲源聲場(chǎng)相干分析共同進(jìn)行，并尋找兩者的相干特性。

2 縱向水平相關(guān)簡(jiǎn)正波計(jì)算

空氣與海水間存在比較大的聲阻，這就會(huì)導(dǎo)致聲源從水下發(fā)出聲波時(shí)，會(huì)發(fā)生某一點(diǎn)聲壓的數(shù)值正好是0的點(diǎn)，那就是軟邊界點(diǎn)。在現(xiàn)實(shí)中這一軟邊界的點(diǎn)存在在空氣與海水分割面上，根據(jù)簡(jiǎn)正波的理論可以得出，位于水下的聲場(chǎng)可以利用下列方式來(lái)表達(dá)：

在這個(gè)公式中，H代表著海深程度，聲源深度用z來(lái)表示，其中的漢克爾第一類函數(shù)使用H0來(lái)代替的，在遠(yuǎn)場(chǎng)中漢克爾函數(shù)還有一種近似表達(dá)式：

同時(shí)還有第二種可能就是聲源來(lái)源方式不同，當(dāng)生源不是來(lái)自于淺海中而是存在空氣中時(shí)，就要進(jìn)行對(duì)于聲音投射關(guān)系進(jìn)行研究，第一種情況中的軟邊界就不存在了，取而代之的是從靜止空氣中將聲音傳遞到均勻介質(zhì)的淺海內(nèi)部，位于空氣中的聲源與空氣淺海分界點(diǎn)相距為h，淺海海深H，根據(jù)簡(jiǎn)正波公式可以推導(dǎo)出：

在公式中當(dāng)z取值為0的時(shí)候，是公式一次微分z方向的值，根據(jù)一式與三式的對(duì)比可以得出，無(wú)論聲源的位置位于空氣中還是位于水中，對(duì)于相對(duì)同一位置的水下聲場(chǎng)來(lái)說(shuō)，兩個(gè)公式中簡(jiǎn)正波所對(duì)應(yīng)的第N階簡(jiǎn)正波時(shí)不變的，發(fā)生改變的只有每一號(hào)簡(jiǎn)正波中存在的簡(jiǎn)正波激發(fā)系數(shù)，即：

3 數(shù)值仿真

在計(jì)算中通過(guò)公式證明了空氣中進(jìn)行的聲源發(fā)聲接受與淺海中進(jìn)行的聲源發(fā)聲接受水平縱向相關(guān)特征是相對(duì)一致的，但是要進(jìn)一步證明這一觀點(diǎn)，需要進(jìn)行數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)。仿真需要兩個(gè)聲源S與A，S是位于空氣中的，而A是位于淺海中的聲源，R作為接收器放置在海域深處，其中的參數(shù)設(shè)置與環(huán)境模型如圖1所示。

圖1 環(huán)境參數(shù)與環(huán)境模型

數(shù)據(jù)模擬的是在2014年5月份南海海域進(jìn)行的一次真實(shí)實(shí)驗(yàn)采集到的空氣聲實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。根據(jù)具體情況分析對(duì)于聲源的頻率采取125～131Hz，聲源深度采取四個(gè)方位，分別是-4.1m，-10.0m，4.1m與10.0m四個(gè)對(duì)應(yīng)位置。模擬仿真使用軟件程序KrakenC進(jìn)行對(duì)于聲源產(chǎn)生聲壓的計(jì)算，選取某一具體距離r當(dāng)做統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)于逆傅里葉變換并從中取得時(shí)域聲壓，對(duì)于淺海下聲場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)水平縱向的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)淺海接受聲速

圖中以4.5km作為標(biāo)準(zhǔn)距離，圖中的曲線代表著相對(duì)不同的深度中，淺海下聲場(chǎng)相關(guān)系數(shù)水平縱向取值，進(jìn)行對(duì)于數(shù)值對(duì)比會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)淺海中接受器與聲源的位置相對(duì)固定的時(shí)候，變化的聲源深度基本并不會(huì)影響到相關(guān)系數(shù)水平縱向，這也在另一個(gè)方面上證明了，空氣中的聲源與淺海中的聲源對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)水平縱向周期是并不會(huì)因?yàn)槁曉次恢冒l(fā)生改變的，這與之前得出的結(jié)論是相同的。

觀察數(shù)值變化幅度會(huì)發(fā)現(xiàn)，在-4.1m到-10.0m所對(duì)應(yīng)數(shù)值的變化幅度相對(duì)比較小，但是當(dāng)聲源深度在4.1m～10.0m之間，也就是當(dāng)聲源存在在空氣中的時(shí)候，數(shù)值幅度會(huì)變得相對(duì)較大，前后兩段幅度變化差距較大。通過(guò)上面公式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲源位置在空氣中時(shí)，選取的淺海中對(duì)應(yīng)有效聲源相關(guān)系數(shù)中的沒(méi)有發(fā)生變化的，所以當(dāng)公式中其他參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)于結(jié)果產(chǎn)生的波動(dòng)較大，所以才會(huì)出現(xiàn)圖中的數(shù)值較大波動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)國(guó)防中一大重要研究主題就是水聲通信工程，這一項(xiàng)目也越來(lái)越多的應(yīng)用在了海洋環(huán)境保護(hù)研究方面、海洋資源開(kāi)發(fā)研究方面以及海洋數(shù)據(jù)收集研究方面，本文將海洋干擾通過(guò)數(shù)據(jù)公式形式展現(xiàn)出來(lái)，相對(duì)全面的展示了在淺海內(nèi)力干擾下海洋聲波傳播損失與補(bǔ)充數(shù)值，相對(duì)具體的分析了海洋聲波波動(dòng)頻率轉(zhuǎn)變方式與數(shù)據(jù)。通過(guò)公式的帶入與數(shù)值的仿真，本文得出了兩個(gè)結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)于南海海域淺?？諝饴暦抡鏀?shù)據(jù)得出，當(dāng)以128Hz作為標(biāo)準(zhǔn)聲源頻率時(shí)，無(wú)論聲源存在的深度時(shí)空氣還是淺海，接收到的相關(guān)系數(shù)水平縱向結(jié)構(gòu)都是相同的；

（2）通過(guò)對(duì)于公式分析與簡(jiǎn)正波理論推導(dǎo)，延伸出了在空氣中聲源傳遞聲音與在淺海中聲源傳遞聲音的數(shù)字表達(dá)式。

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