基于射线模型的典型海底地形下的声传播

摘 要：海洋中检测、通信、定位和导航主要利用声波。声波是目前水下信息传输的主要载体。文章基于射线模型对深海环境下四种典型海底地形声传播展开研究。仿真结果表明，可利用海底地形对声波的反射和折射效应，获得声源达到空间任意位置的声线传播轨迹和传播损失，基于射线模型的声传播研究可为实际海洋环境下的水下信息传输以及探测提供技术支持。

关键词：典型海底地形；射线模型；声线传播

中图分类号：P733.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0003-04

1 概述

在海洋环境中，海底地形是水声传播的下边界，不同的海底地形对水下声传播有着重要的影响。研究海底地形与声传播的关系对水下探测、定位和信息传输等有着极其重要的作用。射线模型在声传播的研究中使用比较广泛，该模型应用简单直观、计算速度快。射线模型计算出声场的传播损失以及声线的传播路径等多种数据，是声场研究的一种有效方法。射线模型在处理声线的会聚区与影区、声线的传播路径等方面要优于简正波模型。在射线模型中，Bellhop模型引入高斯波束跟踪法，在处理声线完全影区和能量焦散等问题方面与传统模型相比有非常明显地改进。需要说明的是，Bellhop模型在计算高频率的声传播时，结果与实际比较接近，效果比较好，并且随着研究的不断深入，通过对Bellhop模型的处理和改进，在低频率的声传播研究中，也能够得到较好的结果[1]。

本文针对典型声速剖面下，利用Bellhop模型实现了深海环境中，四种典型海底地形的水下声学仿真实验，可为水下信息传输和探测提供理论的研究依据。

2 射线理论模型

在射线模型中，声场中的能量是靠声线来传播的，声源发出的声线在信道中按照一定的路径传播后到达接收点，接收点所接收到的声能是所有到达该点的声线能量之和。因为不同的声线有不同的传播路径，因此到达接收点的相位和时间也有所不同。所有声线携带的能量是守恒的，经过传播过程中的扩展损失和吸收损失后，到达接收点的能量会有衰减，但是通过对传播损失的规律的研究，可以确定到达接收点的声线强度。由此，在射线模型中有两个基本方程，一个是用于确定声线传播路径的程函方程，一个是用于确定单根声线强度的强度方程[2]。

式（2-10）则称为强度方程。声线强度的数值与声场幅度A的平方具有正比关系。通过强度方程和程函方程就可以得到波动方程的近似解。

射线声学方法是出现最早，同时也是最简单的计算声场的方法。它具有适用范围广、计算速度快、物理图像清晰等优点。随着对对射线声学方法的进一步研究，射线声学在计算精度、计算速度以及适用范围等许多方面在不断改进与完善。

3 典型海底地形下的声传播分析

海底地形对水声传播有相当大的影响，探究不同海底地形对水声传播的作用与影响，对海洋环境中的探测、定位、水声传播的仿真以及水下信息传输距离的预测都是极其重要的。在研究海底地形对声传播的影响时，根据我国海域的海底地形特点，大致可以分为四种典型的海底地形，分别为海山型海底地形、阶梯型海底地形、斜坡型海底地形和海沟型海底地形[3]。另外，为了更直接地得出不同海底地形对声传播的影响，本文对平坦海底下的声传播进行仿真，提供对比。

3.1 平坦海底地形下的声传播仿真

本文使用了Bellhop射线模型进行数值计算。图1为典型深海声速剖面。

基于图1的声速剖面条件，给出不同海底地形条件下的声传播仿真结果。图2给出了声源深度1000m，中心频率50Hz，平坦海底条件下計算的声传播损失图和声线传播图。

3.2 海山型海底地形下的声传播仿真

图3给出了声源深度1000m，中心频率50Hz，海山型[4]海底条件下计算的声传播损失图和声线传播图。

3.3 斜坡型海底地形下的声传播仿真

图4给出了声源深度1000m，中心频率50Hz，斜坡型[5][6]海底条件下计算的声传播损失图和声线传播图。

3.4 阶梯型海底地形下的声传播仿真

图3-4给出了声源深度1000m，中心频率50Hz，阶梯型海底条件下计算的声传播损失图和声线传播图。

3.5 海沟型海底地形下的声传播仿真

图3-5给出了声源深度1000m，中心频率50Hz，海沟型海底条件下计算的声传播损失图和声线传播图。

3.6 仿真结果分析

根据不同海底地形条件下的仿真结果，经分析后，得出结论：在近距离上会聚区主要是波导声线形成的，可以形成比较大的汇聚去增益。随着传播距离的增加，以及海洋深度的降低，会聚区主要是由经海底反射后的声线形成的，但是随着声线不断的与海底接触，传播损失也越来越大，会聚区与影区的间距也越来越小，因此会聚区的增益也降低。同时，在受到海底反射后的声线，其传播路径也发生明显改变，与平坦海底地形下的声传播路径有一定的差异。

（1）根据图3，可知海山型海底对声传播的影响比较大，主要体现在：声线在海山的前侧以及顶部形成一个很明显的会聚区，这个会聚区的增益比较大。而声线在经过海山顶部后，声线的传播路径变得不规则，没有明显的会聚区，传播损失也变得比较大。根据图5可知，阶梯型海底对声传播的影响类似于海山型海底，主要体现在阶梯对声线的不断反射使声线传播路径发生不规则的改变，并且加大传播损失。

（2）根据图4，斜坡型海底对声传播的影响主要也体现在深度不断减小的海底对声线的反射作用。随着深度的减小，经过海底反射的声线不断形成会聚区，并且会聚区距离较近，同时也加剧了传播损失，但是这个会聚区与平坦型海底下的声传播会聚区有较大的区别。

（3）根据图5，海沟型海底对声传播的影响主要体现在：经海沟两侧反射后的部分声线的不规则传播以及传播损失的增大。

4 结束语

海底地形是在进行水下声传播仿真与研究中不可忽略的环境因素。海底对声线的反射作用对研究典型海底地形下的声传播的影响具有重大意义。从仿真结果得分析可知，不同的海底地形对声传播具有不同的作用与影响。不仅声传播路径发生明显变化，传播损失也发生较大改变。其中，海山型海底和阶梯型海底对声传播的影响最大，海沟型海底次之，斜坡型海底对声传播的影响最小。这必将会对利用声波进行探测和定位产生非常大的影响。本文实现了基于射线理论模型的四种典型海底地形下的声传播规律仿真，可为实际海洋环境下的水下信息传输研究提供技术支持。

参考文献：

[1]杨家轩，何琳，帅长庚，等.基于Bellhop模型的不同海山地形水下声学仿真[J].声学技术，2015，34（6）：1-4.

[2]朴胜春，黄益旺，杨士羲.水声传播中射线声学方法的应用[Z].中国声学学会2005年青年学术会，2005.

[3]南明星，查良龙，卢晓亭.典型海底地形下声线管束轨迹分析[J].声学技术，2006，25（2）：1-4.

[4]李文，李整林，南明星.深海海底山对声传播的影响[J].声学技术，2014，33（2）：1-3.

[5]胡治国，李整林，任云.深海倾斜海底对声传播的影响[J].声学技术，2015，34（6）：1-4.

[6]胡治国，李整林，秦继兴，等.深海海底斜坡环境对声传播规律的影响[J].中国科学，2016，46（9）：8-10.