基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区位置计算方法技术

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位置计算方法，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，计算得到会聚区内声线的水平距离与深度的关系，然后通过声线水平距离随声线出射初始角的关系，得出在某一深度声线水平距离的极小值即为焦散线的位置，最后通过声场计算软件进行仿真，然后将理论公式计算的结果与伪彩图进行对比，从结果证明了本发明专利技术所提出的位置计算方法有很好的效果。

【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位置计算方法
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位置计算方法。
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。1961年Hale从实验中观测到了很强的会聚效应，并利用声线图做了研究。1965年，Urick研究了当声源位于不同深度时会聚区结构的变化，发现当声源变深时，观测到的单一会聚区分裂为两个半区，随着深度增加，左半区向左移动，右半区向右移动，并通过实验进行了验证。张仁和利用简正波方法研究了水下声道的反转点会聚区声场以及负梯度深海情况下的反转点会聚区声场。目前国内外学者所做的研究，多是针对位于海面的会聚区。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。
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时宽度展宽问题，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位置计算方法。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位置理论解析解。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位置计算方法，所述方法包括以下步骤：步骤一：利用射线简正波理论获得特定声速剖面下声线经过的水平距离随深度的关系：针对深海典型声速剖面Munk剖面进行分析，Munk剖面的声速表达式为：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；分层介质条件下，位于x＝0，z＝zs处，出射初始角为α0的声线经过的水平距离由如下的积分形式给出：其中，x为声线经过的水平距离，zs为声源深度，n(z)＝c0/c(z)为折射率；步骤二：求出深海完整声道下焦散线会聚区位置公式：在水中声线分为4种类型，即(1)水中折射型(RR)，相应的声速条件为cr＜cu，cr＜cb，cr为反转点处声速，cu为海面处声速，cb为海底处声速；(2)海面反射型(RSR)，相应的声速条件为cu＜cr≤cb；(3)海面-海底反射型(RSBR)，相应的声速条件为cr≥cu，cr≥cb；(4)海底反射型(RBR)，相应的声速条件为cb＜cr≤cu；其中第4种类型为不完整声道，要求海面声速大于海底声速，在此种条件下，声线无法在深海发生反转，因此也无法在深海形成下会聚区，因此，只考虑其他三类声线；定义无量纲算子F：其中，cs为声源处声速；将声速剖面表达式(1)代入式(2)进行计算，得到声线轨迹的水平距离与算子F的关系，在第一个会聚区内声线的水平距离表示为如下的公式：其中，x(z)为第一个会聚区中深度为z的声线的水平距离，zru为上反转点的深度，zrb为下反转点的深度；Ⅰ指的是上反转点到声道轴之间的区域，Ⅱ指的是声道轴到下反转点的区域，Ⅲ指的是下反转点到声道轴的区域，Ⅳ指的是声道轴到上反转点的区域；由此可以得出，对于在第j个会聚区中的声线，在深度为z处的水平距离表示为：Rj(z)＝2(j-1)(Lu+Lb)+x(z)(5)；步骤三：由不同出射初始角发出的声线，在同一深度的水平距离是先减小后增大的，始终存在某一个出射初始角使得水平距离达到极小值，这意味着在上层海洋环境反转或反射之后，总会有不同出射初始角发出的声线发生聚焦，从而在上层海洋环境反转点和下层海洋环境反转点之间形成焦散线，对于某一深度，选取声线水平距离的极小值即为焦散线的位置；步骤四：利用声场计算软件进行离线仿真，将距离-深度空间划分网格；通过声场计算软件得到传播损失伪彩图，利用得到的下焦散线会聚区位置公式，在伪彩图上画出下焦散线会聚区的几何图像，并与传播损失伪彩图的会聚效应区域进行对比。进一步地，海洋环境为完整声道，即海底声速大于海面声速。进一步地，下焦散线会聚区的初始位置为声源共轭深度以下，且一直延伸至海底。进一步地，仿真时的网格点距离间隔为10米，深度间隔为5米。本专利技术针对海面附近会聚区远距离时会聚区宽度展宽的问题，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位置计算方法，利用射线简正波理论对深海完整声道的下焦散线会聚区位置进行了理论求解，并与声场计算软件的结果进行了对比，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位置计算方法能够有效地求出下焦散线会聚区的位置。附图说明图1为深海Munk声速剖面示意图；图2为三类声线示意图；图3为传播损失伪彩图与理论推导焦散线位置的对比图。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位置计算方法，所述方法包括以下步骤：步骤一：利用射线简正波理论获得特定声速剖面下声线经过的水平距离随深度的关系：针对深海典型声速剖面Munk剖面进行分析，Munk剖面的声速表达式为：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；分层介质条件下，位于x＝0，z＝zs处，出射初始角为α0的声线经过的水平距离由如下的积分形式给出：其中，x为声线经过的水平距离，zs为声源深度，n(z)＝c0/c(z)为折射率；步骤二：求出深海完整声道下焦散线会聚区位置公式：在水中声线分为4种类型，即(1)水中折射型(RR)，相应的声速条件为cr＜cu，cr＜cb，cr为反转点处声速，cu为海面处声速，cb为海底处声速；(2)海面反射型(RSR)，相应的声速条件为cu＜cr≤cb；(3)海面-海底反射型(RSBR)，相应的声速条件为cr≥cu，cr≥cb；(4)海底反射型(RBR)，相应的声速条件为cb＜cr≤cu；其中第4种类型为不完整声道，要求海面声速大于海底声速，在此种条件下，声线无法在深海发生反转，因此也无法在深海形成下会聚区，因此，只考虑其他三类声线；其他三类声线的示意图如图2所示。定义无量纲算子F：本文档来自技高网...

【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位置计算方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：/n步骤一：利用射线简正波理论获得特定声速剖面下声线经过的水平距离随深度的关系：/n针对深海典型声速剖面Munk剖面进行分析，Munk剖面的声速表达式为：/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位置计算方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：利用射线简正波理论获得特定声速剖面下声线经过的水平距离随深度的关系：
针对深海典型声速剖面Munk剖面进行分析，Munk剖面的声速表达式为：
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；
分层介质条件下，位于x＝0，z＝zs处，出射初始角为α0的声线经过的水平距离由如下的积分形式给出：



其中，x为声线经过的水平距离，zs为声源深度，n(z)＝c0/c(z)为折射率；
步骤二：求出深海完整声道下焦散线会聚区位置公式：在水中声线分为4种类型，即(1)水中折射型(RR)，相应的声速条件为cr＜cu，cr＜cb，cr为反转点处声速，cu为海面处声速，cb为海底处声速；(2)海面反射型(RSR)，相应的声速条件为cu＜cr≤cb；(3)海面-海底反射型(RSBR)，相应的声速条件为cr≥cu，cr≥cb；(4)海底反射型(RBR)，相应的声速条件为cb＜cr≤cu；其中第4种类型为不完整声道，要求海面声速大于海底声速，在此种条件下，声线无法在深海发生反转，因此也无法在深海形成下会聚区，因此，只考虑其他三类声线；
定义无量纲算子F：



其中，cs为声源处声速；
将声速剖面表达式(1)代入式(2)进行计算，得到声线轨迹的水平距离与算子F的关系，在第一个会...

【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