一种预报空气中声源产生的水下声场的抛物方程模型方法

摘要

本发明提出一种预报空气中声源产生的水下声场的抛物方程模型方法，在水声抛物方程模型的基础上，将水‑海底‑海底人工吸收层三层介质波导推广到空气完全匹配层/人工吸收层‑空气‑海水‑海底‑海底完全匹配层/人工吸收层五层波导。数值仿真结果表明，基于抛物方程方法的空气中声源水下声场计算模型声传播预报结果与简正波模型和波束积分方法吻合，同时该模型可以有效预报海底地形变化环境下的空气中声源激发的水下声场。

说明书

技术领域

本发明涉及水声传播建模与海洋声场分析领域，主要是一种预报空气中声源产生的水下声场的抛物方程模型方法。

背景技术

对空气中声源激发的水下声场的研究受两种需求剌激而发展。一是反潜飞机在现代海战中发挥着重要作用，对潜艇的威胁越来越大；二是飞机辐射噪声对海洋生物有重要的影响。随着现代反潜技术的发展，特别是航空反潜飞机的大量装备，潜艇的生存状况日益恶劣。反潜飞机具有优越的机动性能和高效的搜索跟踪性能，在现代海战中发挥着重要作用，被称为潜艇的"天敌"，己经成为近代反潜作战非常重要的一环，对潜艇的威胁越来越太。在反潜机和潜艇的较量中，反潜机具有明显的"不对称"优势，往往占据上风。目前，潜艇对反潜飞机的探测和打击手段比较少，在与反潜飞机的对抗中处于被动挨打的局面。利用潜艇声呐在水下探测反潜机发动机和螺旋桨辐射的噪声，可以为潜艇提供早期预警，为其战术规避或主动攻击提供帮助。要设计良好的水下对空声探测系统，需要深入认识空中声源在水下激发的声场分布规律，为空气声源水下声传播模型的建立提出了要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种预报空气中声源产生的水下声场的抛物方程模型方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种预报空气中声源产生的水下声场的抛物方程模型方法，首先，对水声传播模型中海面压力释放边界条件进行修改，将其表示成空气-海水两层介质表面，空气中声学参数采用实际或者实测数据；同时，实际声传播中空气上方为无限大辐射边界，添加一层完全匹配层或者人工吸收层用于截断计算域；修改后，抛物方程模型深度方向由海水层-海底层-海底人工吸收层三层结构变为空气完全匹配层/人工吸收层-空气层-海水层-海底层-海底完全匹配层/人工吸收层五层结构；其次，采用抛物方程模型计算空气声源辐射产生的初始声场，作为声场递推求解的输入；最后，应用声场递推计算公式，获得空气中声源产生的水下声压值。

本发明的有益效果为：本发明提出一种预报空气中声源产生的水下声场的抛物方程模型方法，在水声抛物方程模型的基础上，将水-海底-海底人工吸收层三层介质波导推广到空气完全匹配层/人工吸收层-空气-海水-海底-海底完全匹配层/人工吸收层五层波导。数值仿真结果表明，基于抛物方程方法的空气中声源水下声场计算模型声传播预报结果与简正波模型和波束积分方法吻合，同时该模型可以有效预报海底地形变化环境下的空气中声源激发的水下声场。

附图说明

图1空气中声源激发水下声场抛物方程模型实现流程图。

图2海洋波导分层图，图中标出了海洋地声参数及声源信息。

图3海洋环境参数图。

图4传播损失曲线比较示意图，(a)抛物方程方法，(b)简正波和波束积分方法。

图5采用抛物方程模型得出的水面和水下声压传播损失伪彩图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明公开了一种预报空气中声源产生的水下声场的抛物方程模型方法，首先，对水声传播模型中海面压力释放边界条件进行修改，将其表示成空气-海水两层介质表面，空气中声学参数采用实际或者实测数据。同时，实际声传播中空气上方为无限大辐射边界，为了截断计算域，需要添加一层完全匹配层或者人工吸收层。修改后，抛物方程模型深度方向由海水层-海底层-海底人工吸收层三层结构变为空气完全匹配层/人工吸收层-空气层-海水层-海底层 -海底完全匹配层/人工吸收层五层结构。其次，采用抛物方程模型计算空气声源辐射产生的初始声场，作为声场递推求解的输入。最后，应用声场递推计算公式，获得空气中声源产生的水下声压值。

如图1为本专利的实现过程图，对水声传播模型中的环境波导模型进行推广，在海水层上方添加一层空气层，并且为了使得无限大辐射边界条件得以实现，在空气层上方增加一层完全匹配层或者人工吸收层。其次，计算空气中声源在水下和水面辐射声场的初始值。最后，采用传统抛物方程模型递推计算公式，计算得到空气中声源在水下辐射声场的声压值。

如图3所示，分别采用抛物方程模型、简正波理论和波数积分方法对海洋波导环境得到的声压传播损失曲线。数值仿真结果表明，采用抛物方程模型计算得到的声场结果与简正波模型和波数积分计算结果吻合很好。同时该模型可以有效预报海底地形变化环境下的空气中声源激发的水下声场。

本发明的具体实施方式如下：

(1)为了计算空气声源辐射的水下声场，需要将海洋波导模型进行推广。传统水声抛物方程模型将海洋波导看作三层结构，即：海水-海底-海底人工吸收层。为了预报空气声源辐射的水下声场，需要将原水声传播模型的海面压力释放边界进行修改，边界变成空气-海水边界，满足声压连续性条件：

同时为了满足空气上方无限大辐射边界条件，需要添加完全匹配层/人工吸收层，以满足截断深度L处声压为0，即：

此时，海洋波导模型变为五层结构，即：空气完全匹配层/人工吸收层-空气-海水-海底-海底完全匹配层/人工吸收层。

(2)配置好海洋环境参数后，计算空气中声源初始场，采用Padé近似得出分裂-步进格式的自初始场求解表达式：

其中，α,β为在不同算子情况下的Padé近似系数。采用Galerkin离散方法，可以计算得出抛物方程模型的自初始场。

(3)在二维理想流体环境下，水下声波传播满足二维柱坐标系下Helmholtz方程：

在中远距离声传播问题中，声波传播波阵面近似以柱面波的形式，其能量幅度近似正比于1/r。为了消除柱面扩展项，因此采用变量替换

采用抛物方近似，将上式分解成发散波和收敛波的形式，大多数情况下，发散波所占据的能量占主导地位，而收敛波对声波能量的影响可以忽略。采用常微分方程的求解方法，可以得出步进方程：

为了便于求解，采用分裂-步进的Padé近似方法处理指数根式算子，将其近似成一系列有理分式相乘的形式，即：

其中，N为Padé近似的阶数，a,b为Padé近似的系数。对算子采用Galerkin方法进行离散，可以化成矩阵方程的形式，实现声场的求解。

(4)将递推变量反推得到声压结果：

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。