【基于ACTUP軟件淺海水聲傳播特性模擬分析案例4800字】

基于ACTUP軟件淺海水聲傳播特性模擬分析案例1.1仿真參數(shù)的設(shè)定首先在Matlab中添加路徑，然后運行actup.m這個文件會得到一個如圖4-1-1的聲學(xué)工具箱用戶界面（acoustictoolboxuser-interface），然后選擇配置環(huán)境和傳播模型中的編輯環(huán)境進入圖4-1-2編輯信道環(huán)境界面。圖4-1-1聲學(xué)工具箱用戶界面圖4-1-2編輯信道環(huán)境界面點擊圖4-1-2中的Editenvironment（編輯環(huán)境）,設(shè)置聲源與水聽器的水平距離，然后編輯如圖4-1-3和4-1-4的編輯水體環(huán)境界面1和2，這里主要有以下幾個參數(shù)，一是水體環(huán)境是否為聲學(xué)半空間，由于聲速會隨著環(huán)境的變化而產(chǎn)生改變，所以選擇非聲學(xué)半空間；二是海面粗糙度的均方根值，可以通過表4-1進行選擇不同的海面粗糙度；三是如表4-2，不同的水深和季節(jié)及其對應(yīng)的水體密度和聲在其中傳播的速度。表4-1常見的海面粗糙度參數(shù)風(fēng)級023567名稱無風(fēng)輕風(fēng)微風(fēng)輕勁風(fēng)大風(fēng)颶風(fēng)浪高（m）00.20.625.514表4-2聲速隨深度、季節(jié)的變化冬（正）夏（負(fù)）深度(m)0~2020~4040~550~2020~4040~55聲速(m/s)1517~15181518~15191519~1519.51540~15431543~15461546~1549圖4-1-3配置水體環(huán)境界面1圖4-1-4配置水體環(huán)境界面2然后回到圖4-1-3編輯海洋底部環(huán)境參數(shù)，BELLHOP模型默認(rèn)為海底是聲學(xué)彈性半空間，并且其表面粗糙度為0（如圖4-1-5），然后在圖4-1-6中配置海底環(huán)境的參數(shù)：海底沉積物層的厚度（與設(shè)置的水體最大深度一樣）、聲速、密度（如表4-3所示）、沉積物的衰減系數(shù)??(??)等[46]。圖4-1-5配置海底環(huán)境界面1圖4-1-6配置海底環(huán)境界面2表4-3大陸臺地(陸架和斜坡)環(huán)境條件下的泥沙沉積物密度、聲速和速度比沉積物類型密度（kg/m3）聲速（m/s）速度比(沉積物聲速/海水聲速)粗砂203418361.201很細(xì)沙187817091.120砂質(zhì)粉砂176916441.076砂—粉砂—泥157515821.036粉砂質(zhì)泥148015170.990點擊圖4-1-2的OK返回圖4-1-7，點擊“EditCode-IndependentPropagationParameters”配置聲源的深度、頻率，水聽器的深度、個數(shù)、接受范圍、輸出文件的位置和命名等（如圖4-1-8所示）。圖4-1-7配置環(huán)境界面圖4-1-8配置聲源相關(guān)參數(shù)再然后“EditCode-dependentPropagationParameters”，選擇“Bounce+Bellhop”進入圖4-1-9配置BELLHOP，其中每個參數(shù)的意義已在本文的第3.2節(jié)中有說明。（注：設(shè)置聲線數(shù)量太少會導(dǎo)致沖激響應(yīng)稀疏和出現(xiàn)運行錯誤，數(shù)量過多會使得程序運行時間過長）。圖4-1-9配置BELLHOP最后保存環(huán)境，就可運行不同的計算模型得到對應(yīng)的仿真圖。1.2不同聲源頻率本節(jié)將研究當(dāng)點聲源頻率不同時，由不同的季節(jié)、不同的聲速剖面和不同的水深會對聲的傳播損失、反射系數(shù)、聲線等產(chǎn)生的影響。仿真中水聽器與聲源同一深度，水聽器水平接受范圍最大為1000米，其個數(shù)為50，聲線個數(shù)設(shè)置為100，海面的風(fēng)浪大小取清勁風(fēng)，RMSroughnessoftopinterfaceoflayer(m)=2（表面粗糙度的均方根值，單位為m），海底沉積物層的聲速取2000m/s，密度取1810kg/m3。水深為20米時，聲源深度為10米，水深為55米時，聲源深度為50米。1.2.1取聲源頻率為100Hz圖4-2-1冬季水深20米的傳播損失圖圖4-2-2冬季水深55米的傳播損失圖圖4-2-3夏季水深20米的傳播損失圖圖4-2-4夏季水深55米的傳播損失圖由上圖可知對于聲的傳播損失與其季節(jié)、水聽器與聲源的距離和水深有關(guān)。（1）隨著水體深度的增加或者水聽器與聲源的距離的減小，聲傳播損失受到季節(jié)這一因素變化的影響越小。比如在水深55米時，聲傳播損失的仿真結(jié)果在整個水聽器與聲源的距離的范圍內(nèi)，不同季節(jié)的仿真結(jié)果高度相似。但是當(dāng)水體深度減小時（比如為20米時），隨著水聽器與聲源的距離的增大，不同季節(jié)的仿真結(jié)果的偏差也越來越大，聲源頻率100Hz時，在水聽器與聲源的距離720米之后，仿真結(jié)果圖有較大差異。（2）聲的傳播損失曲線圖隨著水體深度的增大不僅會出現(xiàn)震蕩，而且幅度還會增大。比如水深20米時，春季和冬季的傳播損失都是逐漸增大，而水深55米時，傳播損失曲線就會表現(xiàn)出大幅震蕩。另外聲源頻率100Hz、水聽器與聲源的距離為100米時，水深為20米的聲傳播損失為32dB左右。其他條件不變，當(dāng)水體深度增加至55米時，傳播損失為44dB左右,出現(xiàn)了一個大幅的上漲。并且在100Hz這個頻率下。不同季節(jié)對此兩種特性影響不大。（3）水深的增加，傳播損失的最大值也在增大，并且最大值點會向聲源靠近。在水深為20米時，聲傳播損失的最大值的點在水聽器與聲源的距離為800米之后，區(qū)別在于峰值的大小不同，其中冬季為46dB，夏季為48dB。水深為55米時，最大值點都在350米左右，且季節(jié)的變化對傳播損失的最大值這一數(shù)值基本不產(chǎn)生影響，都為67dB，都要大于水深為20米時的情況。（4）相同的水深，不同的季節(jié)，隨著距離的增加，在最遠(yuǎn)處的傳播損失值趨近相同，且水體深度越小，損失越少。其中水深20米，傳播損失在47dB左右，水深55米，傳播損失在54dB左右。圖4-2-5夏季水深20米的聲線圖圖4-2-6夏季水深55米的聲線圖圖4-2-7冬季水深20米的聲線圖圖4-2-8冬季水深55米的聲線圖（5）由聲線圖我們可知對于任何一個水聽器，比較重要的聲線有兩類，一類是直接從點聲源到水聽器的聲線，另一類是從點聲源發(fā)出經(jīng)由海面反射、海底反射或者兩種都有的反射后到達(dá)水聽器的聲線。隨著水聽器距離點聲源距離增大，聲線也越來越發(fā)散、稀疏。聲線圖受季節(jié)變化影響不顯著，若是聲源在水層的中間，聲線呈現(xiàn)對稱的狀態(tài)，且顏色越深，說明聲線越密集。聲線向上彎曲，說明符合Snell折射定律：聲線的傳播方向是從聲速大的區(qū)域向聲速小的區(qū)域彎曲[24]。4-2-9夏季水深20米的底部反射系數(shù)圖圖4-2-10夏季水深55米的底部反射系數(shù)圖圖4-2-11冬季水深20米的底部反射系數(shù)圖圖4-2-12冬季水深55米的底部反射系數(shù)圖（6）由圖可知，底部反射系數(shù)圖的參數(shù)基本不受季節(jié)、水深的變化的影響。1.2.2取聲源為頻率1000Hz圖4-2-13冬季水深20米的傳播損失圖圖4-2-14冬季水深55米的傳播損失圖圖4-2-15夏季水深20米的傳播損失圖圖4-2-16夏季水深55米的傳播損失圖1.2.3取聲源為頻率5000Hz 圖4-2-17冬季水深20米的傳播損失圖圖4-2-18冬季水深55米的傳播損失圖圖4-2-19夏季水深20米的傳播損失圖圖4-2-20夏季水深55米的傳播損失圖（7）隨著聲源頻率增大，當(dāng)水體深度越小，聲傳播損失就受到季節(jié)的影響越大。比如在水深55米時，聲傳播損失的仿真結(jié)果在三種聲源頻率的條件下，在整個水聽器與聲源的距離的范圍內(nèi)，冬季和夏季的仿真結(jié)果高度相似。但是當(dāng)水體深度較小時，比如為20米時，隨頻率的增加，不同的季節(jié)的仿真結(jié)果差別也越來越大，其中聲源頻率100Hz時仿真結(jié)果在水聽器與聲源的距離750米之后有較大差異；當(dāng)聲源頻率1000Hz時，不同季節(jié)的仿真結(jié)果在水聽器與聲源的距離550米之后有較大差異，其中聲源頻率5000Hz時，不同季節(jié)的仿真結(jié)果僅在水聽器與聲源的距離150米之后就有較大差異。（8）傳播損失的最大值隨著聲源頻率的增大也在增加。其中水深20米時，夏季的傳播損失最大值要大于同條件下冬季的值。在冬季水深為20米時，在三種聲源頻率下，傳播損失都在在水聽器與聲源的距離為800米至900米之間達(dá)到最大值，不同的是峰值大小不同，其中聲源頻率為100Hz時大約為46dB，1000Hz和5000Hz時都大約為60dB。夏季水深為20米時，其中聲源頻率為100Hz，傳播損失大約為48dB，距離為1000米，1000Hz最大傳播損失為57dB，和5000Hz時都大約為67dB。（9）聲源頻率越大，傳播損失曲線的毛刺越多，波動也越大，但是隨著水深的增加，曲線會變得越加平順。1.3不同海底環(huán)境在海洋環(huán)境中，海底是整個環(huán)境中聲傳播的底層，聲線也會在此界面發(fā)生反射和透射，聲波在底部沉積物中傳播速度也會根據(jù)不同介質(zhì)類型、不同介質(zhì)層深度等因素的變化發(fā)生變化，同樣如果海底界面不是光滑的，而是粗糙不平的，將會導(dǎo)致在海洋中傳播的聲波產(chǎn)生衰減[20,39]。對海底環(huán)境進行建模，需要考慮到隨深度的變化，海底的沉積物類型的變化，不同類型的沉積物中的壓縮波、剪切波的速度和衰減系數(shù)，以及不同深度對聲傳播速度的影響，其中上層沉積物的性質(zhì)是比較重要[23]。本部分將研究在沉積物層為聲學(xué)彈性半空間，由淺海海底類型的組成成分不同（Shepard的三角端元法）[47]、季節(jié)和聲速剖面的不同會對聲傳播損失、底部反射系數(shù)、距離時延、聲線等產(chǎn)生的影響進行探討。仿真中環(huán)境取冬季且水深為20米，水聽器與聲源深度均為10米，聲源頻率為100Hz，水聽器水平接受范圍最大為1000米，水聽器個數(shù)為50個，聲線數(shù)設(shè)為100，海面的風(fēng)浪取清勁風(fēng)，海面粗糙度的均方根值取2。由表4-3可知，隨著底部沉積物的密度降低，在沉積物中傳播的聲速也在減小，且比密度減小的更快，速度比也在降低。1.3.1傳播損失圖圖4-2-1沉積物為粗砂圖4-2-2沉積物為很細(xì)沙圖4-2-3沉積物為砂質(zhì)粉砂圖4-2-4沉積物為砂—粉砂—泥圖4-2-5粉砂質(zhì)泥（1）由傳播損失圖可知隨著沉積物密度降低，聲的傳播損失會隨水聽器與聲源的距離增加而變大的整體趨勢沒有改變，并且呈現(xiàn)為先增大后減小，然后再增大的情況，其中第二個波峰都大約在水聽器距離聲源800米處。（2）區(qū)別在于：首先密度越低，其在水聽器距離聲源100米處的傳播損失會增大，沉積物類型為粗砂型時是35dB、為很細(xì)沙型時是35.3dB、為砂質(zhì)粉砂型時是35.6dB、為砂—粉砂—泥型時是36.4dB、為粉砂質(zhì)泥型時是42dB，其中沉積物類型為粉砂質(zhì)泥型的傳播損失相較于其他類型變化大幅增加；其次水聽器距離聲源1000處的傳播損失也會增大，同樣的沉積物為粉砂質(zhì)泥的傳播損失相較于其他類型的沉積物有大幅度增加；然后隨著沉積物密度降低，傳播損失圖的震蕩也在減少，曲線越來越平滑；最后沉積物類型為粗砂型、很細(xì)沙型和砂質(zhì)粉砂型傳播損失的最大值在水聽器距離聲源最遠(yuǎn)處，而沉積物類型為砂—粉砂—泥型的第一個和第二個波谷處大小大致一樣，沉積物類型為粉砂質(zhì)泥型的第一個最大值甚至大于最遠(yuǎn)處，是極大值點。聲的傳播損失會隨著聲源與水聽器的距離增大整體呈現(xiàn)出增大—減小—增大的趨勢，隨著沉積物密度的減小，傳播損失第一個峰值會越來越大，并且與聲源的距離也在減小。1.3.2底部反射系數(shù)圖圖4-2-6沉積物為粗砂圖4-2-7沉積物為很細(xì)沙圖4-2-8砂質(zhì)粉砂圖4-2-9砂—粉砂—泥圖4-2-10粉砂質(zhì)泥（3）由底部反射系數(shù)圖可知，隨著沉積物密度降低，掠射角為0時，海底損失的大小都為0，隨著掠射角的增大，海底損失的大小開始增大，最后趨于穩(wěn)定，并且隨著沉積物的密度的減小，最后的穩(wěn)定值也在增大，從粗砂的7dB、很細(xì)沙的9dB、砂質(zhì)粉砂的10dB、砂—粉砂—泥的12dB到粉砂質(zhì)泥的14dB。而且隨著沉積物密度的減小，海底損失的值從0不增大和穩(wěn)定到最大值不變的掠射角都在減小，其中最大值基本不變的掠射角從粗砂的80°、很細(xì)沙的75°、砂質(zhì)粉砂的70°、砂—粉砂—泥的60°到粉砂質(zhì)泥的20°，當(dāng)沉積物類型為粉砂質(zhì)泥時掠射角大幅的突變。1.3.3聲線圖圖4-2-11粗砂圖4-2-12很細(xì)沙圖4-2-13砂質(zhì)粉砂圖4-2-14砂—粉砂—泥圖4-2-15粉砂質(zhì)泥（4）由聲線圖可知，除了密度最小，聲速最低的沉積物為粉砂質(zhì)泥以外，其他四種沉積物的聲線圖基本一致。相對于其他沉積物，粉砂質(zhì)泥的聲線圖的聲線稀疏了很多，而且底部的反射很少，并且反射角也較大。原因可能是沉積物的密度過小，突破了一個閾值，造成了質(zhì)變。1.4不同海面粗糙度在風(fēng)、潮汐、生物活動以及人為因素的作用下海洋表面浪潮復(fù)雜且多變，往往會形成不同的海面粗糙度。由表4-1可知，風(fēng)浪越大海面粗糙度越大。1.1.1冬季水深20米圖4-3-1海面粗糙度為0的傳播損失圖圖4-3-2海面粗糙度為2的傳播損失圖圖4-3-3海面粗糙度為5.5的傳播損失圖圖4-3-4海面粗糙度為14的傳播損失圖1.1.2夏季水深20米圖4-3-5海面粗糙度為0的傳播損失圖圖4-3-6海面粗糙度為2的傳播損失圖圖4-3-7海面粗糙度為5.5的傳播損失圖圖4-3-8海面粗糙度為14的傳播損失圖圖4-3-9海面粗糙度為0的底部反射系數(shù)圖