Kraken海洋声学模型及其声传播与衰减的数值试验
“计算海洋声学”课程内容优化研究
“计算海洋声学”课程内容优化研究作者：刘巍马树青蓝强来源：《教育教学论坛》2022年第44期［摘要］“计算海洋声学”课程教学内容以水声传播数学模型为核心，教学信息量与难度较大。
为减轻学生课业负担，该课程学时数被大幅压缩，为此迫切需要对课程内容进行调整与优化。
提出了“计算海洋声学”课程内容优化方案，主要包括删减与其他相关课程重复的内容，适量增加频域有限差分等数值类模型与技术，整合波数积分与简正波模型，对课程内容进行重新归类等。
该方案在课程内容上有减、有增、有整合，可更加清晰地梳理该课程知识体系，提高课程教学质量。
［关键词］教育教学改革；理论教学；课程优化［基金项目］ 2020年度国防科技大学研究生教育教学改革研究课题“计算海洋声学课程优化改革研究”（yjsy2020066）；2020年度国防科技大学研究生教育教学改革研究课题“以学科竞赛为牵引探索海洋信息处理教学团队建设”（yjsy2020069）；2019年度国家自然科学基金面上项目“高精度海洋声场模型的可扩展并行算法与千亿级网格应用”（批准号：61972406）［作者简介］刘巍（1980—），男，吉林辽源人，博士，国防科技大学气象海洋学院副研究员，主要从事水声物理研究；马树青（1981—），男，河南安阳人，博士，国防科技大学气象海洋学院副教授，主要从事水声工程研究；蓝强（1988—），男（畲族），江西赣州人，博士，国防科技大学气象海洋学院副教授，主要从事海洋信息处理研究。
［中图分类号］ G642.4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2022）44-0000-04 ［收稿日期］ 2021-10-11一、课程介绍“计算海洋声学”是国防科技大学海洋信息工程、水声工程方向的骨干专业课程，主要讲授如何建立水声传播物理过程的数学模型及其相应的计算机算法，并通过计算机仿真研究海洋环境、声源频域与位置等声学相关要素对海洋声场的影响规律。
目前我校“计算海洋声学”课程教材为《计算海洋声学（第二版）》［1］，该书于1994年面世，并于2011年推出第二版，内容（按章节顺序）主要包括：海洋声学基础、波动方程理论、射线法、波数积分法、简正波法、抛物方程法、有限差分和有限元法、宽带建模与噪声建模，此外还涉及声纳方程、波束形成、匹配场处理等多种水声应用技术，构成了内容丰富、架构完备的水声建模理论体系，并通过多个水声标准算例搭建了从理论模型到计算机仿真的技术链条。
大陆架低频声传播建模研究
大陆架低频声传播建模研究鹿力成;马力【摘要】在过去的几十年中大陆架斜坡海域的低频声传播得到越来越多的重视.针对爆炸声作为声源的一次海上实验测量数据,对大陆架海域的低频远距离声传播进行了建模研究.在实验过程中单水听器布放在水下大约240m处接收爆炸声信号,对两条不同测线的传播损失进行了处理.本文结合海底地声模型并考虑了声速剖面的水平变化,利用抛物方程方法对传播损失进行建模.模拟计算该海域的传播损失同实验测量数据相比具有较好的一致性.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2015(034)003【总页数】7页(P220-226)【关键词】低频声传播;传播损失;大陆架斜坡;地声模型【作者】鹿力成;马力【作者单位】中国科学院水声环境特性重点实验室北京 100190;中国科学院声学研究所北京 100190;中国科学院水声环境特性重点实验室北京 100190;中国科学院声学研究所北京 100190【正文语种】中文【中图分类】O427.1在过去的几十年中，大陆架斜坡海洋环境中的声传播研究在理论［1-4］和实验［5-8］都得到越来越多的重视。
在声传播建模过程中需要考虑众多因素，如海水声速剖面结构、海底地形变化、海面粗糙度、海底粗糙度和海底介质的声学特性等。
然而在多数低频情况下忽略了海面和海底的粗糙度对声传播的影响。
S.E.Dosso等［5］人观测到了由于海底地形变化引起了声传播聚焦特性。
Juan［6］分析了海底地形变化测量精度和海底地声反演模型对低频声传播的影响。
俄罗斯的R.A.Vadov［7］和A.V. Mikryukov［8］分别分析了从深海到浅海的远距离声传播问题。
潘长明［9］分析了声速剖面的变化对声传播的影响。
为了研究大陆架斜坡海域的低频声传播特性，在大陆坡沿着两条不同测线进行了一次海上声传播实验，该海域海底地形变化非常复杂。
本文给出了声波沿大陆架上坡方向传播的实验结果，并建立了大陆架海域海底地声模型。
海底沉积物声特性与海水深度变化关系的研究
海底沉积物声特性与海水深度变化关系的研究
王琪;刘雁春;吴英姿;张林;李海森
【期刊名称】《应用声学》
【年(卷),期】2008(027)003
【摘要】海底沉积物声特性的实验室测量结果,相对原位直接测量,将由于测量环境的改变而发生变化.其中海水深度(压强)的改变是影响海底沉积物声传播速度、声传播衰减系数的因素之一.文章以现有海底沉积物纵波传播速度理论为依据,分析了海水深度(压强)影响海底沉积物声传播速度、声传播衰减系数的原因;设计了海底沉积物声特性实验室仿真测量系统,并根据实验数据获得海水深度(压强)影响海底沉积物声传播速度、声传播衰减系数的变化规律.
【总页数】5页(P217-221)
【作者】王琪;刘雁春;吴英姿;张林;李海森
【作者单位】海军大连舰艇学院海测工程系,大连,116018;海军大连舰艇学院海测工程系,大连,116018;哈尔滨工程大学水声技术国家重点实验室,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学水声技术国家重点实验室,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学水声技术国家重点实验室,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】O4
【相关文献】
1.关于海底沉积物声特性实验室直接测量方法的探讨 [J], 王琪;刘雁春;崔高嵩;金绍华
2.胶州湾海底沉积物-海水界面磷酸盐交换速率和通量研究 [J], 蒋凤华;王修林;石晓勇;祝陈坚;韩秀荣
3.深海海底沉积物声学特性原位测量试验研究 [J], 王景强;李官保;阚光明;刘保华;孟祥梅
4.海底沉积物声学特性研究进展与探讨 [J], 于盛齐;王飞;郑广赢;黄益旺
5.东太平洋多金属结核研究区海底沉积物土工特性研究 [J], 孙华强;庄丹丹;宋春霞;朱志敏;王凤
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海洋装备声学特性检测与分析方法
海洋装备声学特性检测与分析方法声学技术在海洋装备领域中起着关键作用。
海洋环境中声波的传播特性和相互作用对于海洋探测、通信以及声纳系统的设计和性能优化至关重要。
因此，海洋装备声学特性的检测与分析方法变得尤为重要。
本文将介绍海洋装备声学特性的检测与分析方法，并讨论其在海洋领域的应用。
海洋装备声学特性检测主要包括声源特性、声波传播特性、声场特性以及噪声特性等。
声源特性的检测通常包括声源频率响应、幅度响应、相位响应以及频率稳定性等指标的测试。
这些特性对于声纳系统的性能评估和设计优化至关重要。
声波传播特性检测主要关注声波在海洋环境中的衰减、散射、反射等现象。
通过测量声波的传播损失、传播模型以及影响因素，可以更好地理解声波在海洋中的传输规律。
声场特性检测主要研究声场的空间分布、声压级、声束形状等参数。
这些参数对于声纳系统的性能评估、声源定位以及目标检测等任务具有重要意义。
噪声特性检测主要研究海洋环境中的杂音和干扰信号。
通过分析噪声的能量分布、频谱特性以及时域特性等，可以评估海洋环境对声纳系统性能的影响。
针对海洋装备声学特性检测，常用的方法包括实测法、数值模拟法以及实测与数值模拟相结合的方法。
实测法通过在实际海洋环境中设置声源和接收器进行野外实验，获取真实的声学信号数据。
这种方法的优点在于直接观测到海洋环境中的声学特性，能够提供准确的数据支持。
然而，实测法存在着成本高、实验周期长、受海洋环境因素影响较大等限制。
为了克服这些限制，数值模拟法成为一种重要的补充手段。
数值模拟法利用数学模型和计算机仿真技术，对海洋环境中的声学波动进行模拟计算，从而获取声学信号的特性。
数值模拟法的优势在于灵活性高、可控性强，能够在不同条件下进行参数调节和比较分析。
通过实测与数值模拟相结合的方法，可以充分利用两者的优点，提高海洋装备声学特性检测的准确性和可靠性。
在海洋领域中，声学装备的声学特性检测与分析在多个应用场景中发挥着重要作用。
首先，声学特性检测与分析方法对于海底地形勘测和海洋资源勘探具有重要意义。
基于Kraken简正波模型的浅海声场分析
基于Kraken简正波模型的浅海声场分析
张歆;张小蓟;李斌
【期刊名称】《西北工业大学学报》
【年(卷),期】2000(018)003
【摘要】水声信道的传输特性是影响水声通信系统性能的重要因素.本文采用了一种全液态Kraken简正波模型,对位于浅海信道的目标海区的传播特性进行分析,得到了不同传播条件下信道的传播损失和频率特性图,为水声通信系统的设计提供了理论基础.
【总页数】4页(P405-408)
【作者】张歆;张小蓟;李斌
【作者单位】西北工业大学航海工程学院,陕西,西安,710072;西北工业大学航海工程学院,陕西,西安,710072;西北工业大学航海工程学院,陕西,西安,710072
【正文语种】中文
【中图分类】P733.21
【相关文献】
1.基于Kraken模型的海洋声场及相干性分析 [J], 赵闪;陈新华;于倍;孙长瑜
2.基于简正波模型的浅海最佳频率的深度特性仿真研究 [J], 窦雨芮; 周其斗; 谭路; 纪刚
3.基于高阶累积量的简正波声场匹配场定位效果分析 [J], 厉彦一;施剑;罗宇;徐辉
4.倾斜弹性海底条件下浅海声场的简正波相干耦合特性分析 [J], 张士钊;朴胜春
5.典型浅海声场环境中的简正波估计 [J], 杜金燕;孙超
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水声学-海洋中的声传播理论2
2
均为实数时， 当 Z n 和 ζ n 均为实数时，上式等于 N 2π 2 2 TL = −10 lg ∑ Z n (z0 )Z n ( z ) + ζ r n =1 n
n≠ m
∑r
N
4π
ζ nζ m
Z n (z0 )Z n ( z )Z m ( z0 )Z m ( z )e
− j (ζ n −ζ m )r
∑
n =1
N
− j ζ nr − 2π sin (k zn z )sin (k zn z0 )e 4 ζ nr
π
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
4
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 临界频率： 临界频率：最高阶非衰减简正波的传播频率
nπ k zn = , n = 0,1, L H
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 6
0≤ z≤H
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 相速和群速： 相速和群速： 相速： 相速：等相位面的传播速度 等相位面： 等相位面：ζ n r − ωt = const
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 5
1 πc0 ωN = N − 2 H
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导 绝对硬界面的平面波导， 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导，最低阶 简正波为零阶简正波，截止频率为零 简正波为零阶简正波，截止频率为零，任何频率的 声波均能在波导中传播； 声波均能在波导中传播； 若声波频率小于一阶简正波的截止频率， 一阶简正波的截止频率 若声波频率小于一阶简正波的截止频率，则波导中 只有均匀平面波 均匀平面波一种行波 只有均匀平面波一种行波 Z n ( z ) = An sin (k zn z ) + Bn cos(k zn z )
水声传播模型的改进与应用
水声传播模型的改进与应用在我们生活的蓝色星球上，海洋占据了绝大部分的面积。
对于海洋的探索和研究，一直是人类不断追求的重要领域。
而在海洋研究中，水声传播模型的建立和改进具有极其重要的意义。
它不仅有助于我们更好地理解海洋中的声学现象，还在诸多实际应用中发挥着关键作用，如海洋通信、声纳探测、海洋资源开发等。
水声传播模型是用于描述声音在海洋中传播过程的数学工具。
早期的水声传播模型相对简单，往往只考虑了一些基本的因素，如海洋的深度、温度、盐度等。
然而，随着对海洋环境认识的不断深入以及应用需求的日益提高，这些简单的模型已经无法满足实际需求。
因此，对水声传播模型的改进成为了必然的趋势。
在改进水声传播模型的过程中，研究人员面临着诸多挑战。
首先，海洋环境是极其复杂多变的。
海洋中的温度、盐度、压力、水流等因素在不同的时间和空间上都存在着显著的差异，而且这些因素之间还相互影响。
因此，如何准确地描述和模拟这些复杂的海洋环境参数，是改进水声传播模型的关键之一。
为了解决这一问题，研究人员采用了多种方法。
一方面，他们通过大量的实地观测和实验，获取了丰富的海洋环境数据。
这些数据为模型的改进提供了坚实的基础。
另一方面，他们利用先进的数学和物理方法，对海洋环境参数进行建模和分析。
例如，利用数值模拟方法来计算海洋中的温度、盐度和水流等分布情况，从而更加准确地描述海洋环境对水声传播的影响。
除了海洋环境的复杂性，声音在海洋中的传播过程本身也具有很多特殊的性质。
例如，声音在海洋中会发生折射、反射、散射等现象，而且这些现象还会随着传播距离的增加而不断变化。
因此，如何准确地描述和模拟声音在海洋中的这些传播特性，也是改进水声传播模型的一个重要方面。
在这方面，研究人员引入了新的理论和方法。
比如，利用波动理论来描述声音在海洋中的传播过程，考虑了声音的波长、频率等因素对传播特性的影响。
同时，他们还研究了声音在不同海洋介质中的传播特性，如在海底沉积物、海水中的气泡等中的传播情况，从而进一步完善了水声传播模型。
3.1 Kraken测试算例手册
只 用 于 “ 软 层 （ Soft-boss ） ”Twersky散射的幅度
I
只 用 于 “ 硬 层 （ Hard-boss ） ”Twersky散射的幅度
语法 说明
NMESH SIGMA Z(NSSP)
NMESH 内部离散化使用的网格点数。
SIGMA
界 面 RMS 粗 糙 度 。 BELLHOP 和SPARC忽略此值。
Z(NSSP) 介质底端的深度(m)。
语法 说明
表4b Twersky散射参数表
BUMDEN ETA XI
BUMDEN ETA XI
凸起（bump）密度(脊/公里) 主半径1(m) 主半径2(m)
算例10 KUPERB
算例11 KUPERM
建 意意 有 大大 海 利利 军 主中 兵 要北 工 海部
算例9 KUPERT（流冰散射）
• 本算例通行修改。粗糙表面设定 为凸峰宽8.2m、高5.1m、密度0.092个凸峰/公里（bosses/km）。注意， KRAKEN的结果不同于KRAKENC和SCOOTER的结果。这反映出使用微扰理论产
生的误差，但是考虑到散射模型的近似，该误差可以忽略不计（在后续版本 中，此误差已被修正）。
这反映出使用微扰理论产生的误差但是考虑到散射模型的近似该误差可以忽略不计在后续版本中此误差已被修正
KRAKEN简正波程序
Michael B. Porter 2001年5月17日
KRAKEN 测试算例手册
• ..\at\tests\TLslices\runtests.m
算例1 PEKERIS（液态半空间海底）
TOPOPT(2:2)：上端边界条件类型
选项
说明
V 顶端以上为真空
海洋锋现象及其对水声传播的影响
海洋锋现象及其对水声传播的影响郭婷婷;高文洋【摘要】为了研究海洋锋对声传播的影响,借鉴黑潮引起的台湾海峡南部海洋锋的历史水文观测资料,提出并建立了适合描述台湾海峡南部海洋锋的数学模型及其声速表达式.通过与实测资料对比,建立的海洋锋模型能准确反映客观实际情况,表现出较好的效果.同时,在借鉴了前人研究经验的基础上,采用Argo实测资料,建立了台湾海峡南部海洋锋的数学模型及其声速表达式,利用MMPE水下声场模型进行了海洋声场数值模拟试验,对目标海区典型的声场结构进行了声线路径模拟和传播损失的计算仿真,并将实验结果通过与前人进行的实际大洋声场实验的结果比较,证实了本文的模拟结果是准确可信的,提高了水声数值模拟试验的准确有效性.【期刊名称】《海洋预报》【年(卷),期】2015(032)005【总页数】9页(P80-88)【关键词】海洋锋;声传播;影响【作者】郭婷婷;高文洋【作者单位】海军海洋水文气象中心,北京100161;海军海洋水文气象中心,北京100161【正文语种】中文【中图分类】P733.21海洋锋一般指在海洋中特性明显不同的两种或几种水体之间的狭窄过渡带，其间存在强烈的湍流混合交换、水平辐合（辐散）和垂直运动。
可用海水的温度、盐度、密度、速度、颜色、叶绿素等要素的水平梯度来确定锋带的位置[1]。
海洋锋的规模可以小至几分之一米，大至全球范围的所有空间尺度。
锋存在于海洋的表层、中层和近底层，可分为八类：1.行星尺度锋；2.强西边界流的边缘锋，由于热带的高温高盐水向高纬度侵入而形成，如黑潮、湾流的边缘锋；3.陆架坡折锋；4.上升流锋；5.羽状锋；6.浅海锋；7.河口锋；8.岬角锋。
这些锋都具有持续性，持续时间为数小时至数月。
此外，锋区异常的水文状况，又将直接或间接的影响水下声学通讯，因此，海洋锋对潜艇活动、水声探测、水下通信等影响很大[1]。
本文研究选择的区域—台湾海峡，位于东海和南海之间，是南北沟通我国近海的重要水道，海峡南部地形较为复杂，大致以200m等深线为界，西北方为宽阔的陆架，东南方则属南海海盆，其间为狭窄的陆坡架；在海峡中间有一系列的水下沙洲发育，形成台湾浅滩，其水深小于20m，将海峡一分为二；在浅滩以东100m等深线向北深入海峡，形成澎湖水道，在浅滩西侧另有一水道，水深约40m；在浅滩和澎湖水道以南有一狭窄的坡折带。
海洋-声学-探测模型的并行预报技术研究
海洋-声学-探测模型的并行预报技术研究范培勤;李玉阳;过武宏;赵建昕;张林【摘要】针对声纳探测性能预报的需求,建立了海洋-声学-探测模型,实现了并行计算.该模型将海洋数值预报模式、声学模式与海洋观测资源进行整合,辅以战术需求,实现了对水声环境和声纳探测性能的动态预报和估计.同时,结合高性能计算机系统,设计并实现了模型的并行算法,结果表明,该程序具有较高的并行性能,较好地满足了声纳探测性能预报对实效性的要求,为形成业务化海洋水声环境预报能力打下了良好的基础.【期刊名称】《海洋技术》【年(卷),期】2016(035)004【总页数】5页(P36-40)【关键词】海洋模式;声纳;探测性能;预报【作者】范培勤;李玉阳;过武宏;赵建昕;张林【作者单位】海军潜艇学院,山东青岛266071;海军潜艇学院,山东青岛266071;海军潜艇学院,山东青岛266071;海军潜艇学院,山东青岛266071;海军潜艇学院,山东青岛266071【正文语种】中文【中图分类】TP391;P733.23长期以来受海洋环境数据获取能力和计算能力的制约，海洋水声环境信息保障主要是针对具体的小范围海域，基于历史和统计数据通过统计分析得到，无法解决“现报”和“预报”的问题，难以满足水声环境信息精细化保障的要求。
因此，如何有效集成模型、数据等方面的现有资源，实现声纳探测性能的动态预报，成为目前亟需解决的问题。
本文以声纳装备使用热点海区为背景，将海洋预报模型、声学模型与声纳探测模型进行耦合，把传感器性能的研究与水声学、海洋学的研究紧密地联系在一起，结合高性能计算平台，实现了相关海区未来时刻声纳探测性能的动态预报和估计，对声纳装备有效使用具有十分重要的意义。
海洋—声学—探测模型主要包括海洋数值模式［1-2］、声学传播模型、声纳探测模型，通过海洋动力模型的状态变量、声学计算参数、声纳方程参数之间的相互传递与影响形成统一的海洋—声学—探测模型。
该模型计算流程为：基于高性能并行计算平台和水声环境数据库，首先通过水声环境数据库并结合实时更新的实测数据为POM模式提供历史数据作为初始场，完成预报海区的温度、盐度、密度等环境基础数据的预报，由此可得到声速场的动态预报；在此基础上读取水声环境数据库中的海底地形、密度、声速、吸收系数等地声参数，作为输入文件传递给声场计算模型，完成相关海区的声场计算；最后，利用声场计算结果，结合声纳探测模型，基于高性能并行计算平台，完成相关海区的声纳探测性能预报，为声纳装备的使用和指挥决策提供辅助决策信息支持。
海洋的声学特性
——声传播起伏的原因之一
16
声速分布分类（分成四类 ）
右图为深海声道典型声速 分布，特点：
•在某一深度处有一声速最 小值。
Zm
•两图不同之处：
•左图表面声速小于海底声
速；
•右图表面声速大于海底声
速。
Z
c0 c
Zm
c0 c
21
扩展损失
简谐平面波声压 p p0 expit kx
没有扩展损失
TL
10
lg
I 1 I x
0
dB
简谐球面波声压 p p0 expit kr
r
扩展损失
TL
10
lg
I 1 I r
20
lg
r
dB
22
扩展损失的一般形式
TL n 10lg r dB
n=0：适用管道中的声传播，平面波传播， TL=0；
第四类
浅海常见声速分布
20
2．海水中的声吸收
传播衰减概述
声波传播的强度衰减（传播损失）原因：
扩展损失（几何衰减）：声波波阵面在传播过程中 不断扩展引起的声强衰减。
吸收损失：均匀介质的粘滞性、热传导性以及其它 驰豫过程引起的声强衰减。
散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰 减 不均匀性包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等 悬浮粒子以及介质本身的不均匀性和海水界面对 声波的散射。
•声速随深度单调下降。
形成原因：
•海洋上部的海水受到太阳强烈照 射的结果。
Z
第三类 反声道声速分布
19
声速分布分类
右图为浅海常见声速分布，特点：
2.1.9海洋的声学特性 - 沙质沉积物高频段声速频散和衰减实验测量
沙质沉积物高频段声速频散和衰减实验测量实验描述为了使声速测量的不确定度更小，通过比较有无沙样品（较厚）时的接收信号来获得沙质沉积物中的声速；而测量沉积物的衰减系数时，通过比较透过不同厚度沙样品的接收信号，以尽可能抵消沙-水界面的透射损失和波阵面的扩展损失对测量结果的影响。
实验平台示意图如图1所示。
实验中的沙样品为经20目（直径0.9mm ）筛子筛选后的沙质沉积物。
声源和水听器相互对正并固定于滑动框架上，框架可以自由滑动。
沙样品（煮后沉积20天左右）充满于较高的玻璃缸内，利用游标卡尺测得两只玻璃缸的高度分别为9.98cm 和19.97cm 。
外层大玻璃水箱尺寸1.2m×1m×1m ，水深约81.5cm ，声源距沙面的距离为 6.5cm ，声源与水听器（B&K8105）相距48.8cm ，水听器距大水箱底29.2cm ，距滑动框架上表面15cm ，距玻璃缸缸底21.8cm 。
实验过程中采用窄带CW 脉冲测量声速时，先将声源和水听器移动至无沙样品的一侧，采集不同频率时的接收信号（频率范围90kH-170kHz ，中心频率步长10kHz ），再将声源和水听器移动至沙样品一侧，记录对应频率下的接收信号（测量衰减系数时先将声源和水听器移动至较薄沙样品一侧，再移动至较厚沙样品一侧），最后根据下式计算沙质沉积物中的声速。
2/1d t c c c w wp Δ−=(1)⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Δ−=12lg 20V V d p α (2) 其中，表示有无沙样品时接收信号的时间差，较薄沙样品的厚度为，较厚沙样品的厚度为，厚度差为t Δ1d 2d 12d d d −=Δ，和分别用来表示透过较薄和较厚沙样品接收信号的幅度。
1V 2V(a)声速测量实验平台示意图(b)衰减系数测量实验平台示意图(c) 实验平台实物图图1 沙质沉积物声速频散和衰减测量实验平台实验中采用的声源频率响应和指向性如图2所，-3dB波束宽度约7°。
基于Kriging替代模型的水声传播损失不确定性量化研究
基于Kriging替代模型的水声传播损失不确定性量化研究ZHANG Lilun;GUO Xianpeng;WANG Dezhi;WANG Yongxian;WU Yanqun【摘要】针对传统水声传播模型在计算精度与效率上难以平衡的问题,本文提出了一种利用Kriging替代模型进行水声传播损失不确定性量化的快速计算方法.利用Kriging模型替代经典Kraken传播模型,缓解Kraken模型耗时的问题,以较高的效率和精度进行水声传播计算并得到相应的水声传播损失.在此基础上,进一步将Kriging替代模型与蒙特卡洛方法结合起来,对由多个环境变量引起的水声传播损失进行不确定性分析,得到传播损失的后验概率密度分布以及90％置信区间分布.试验结果表明所提方法可以快速有效量化水声传播损失的不确定性,为水声传播损失不确定性量化提供了一种新的思路和方法.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2019(040)001【总页数】6页(P88-93)【关键词】Kriging替代模型;Kraken水声模型;蒙特卡洛方法;水声传播损失;不确定性量化【作者】ZHANG Lilun;GUO Xianpeng;WANG Dezhi;WANG Yongxian;WU Yanqun【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】O427.1海洋是一个时变、空变的声传输系统，海洋环境的复杂性会显著影响水声传播计算的准确性。
通常海洋声学环境是未知的，并且充满不确定性，声场预报受到海洋环境不确定性效应的显著影响。
声场预报中，水声传播损失的准确预报对于准确解算声呐方程，得到声呐作用距离和预测声呐性能起到关键作用。
Gerstoft 等[1]利用极大似然估计的方法尝试量化由海洋环境不确定性所导致的水声传播损失，得到水声传播损失在距离和深度两个方向上的全概率分布。
Huang 等[2]进一步提出采用马尔科夫链蒙特卡洛方法利用抽样的样本将环境参数的不确定性传递给水声传播损失的计算过程，利用统计学中置信区间和相关系数对传播损失的不确定性进行量化和表征。
北极冰下双轴声道传播特性研究
北极冰下双轴声道传播特性研究
刘崇磊;李涛;尹力;黄海宁
【期刊名称】《应用声学》
【年(卷),期】2016(035)004
【摘要】本文利用第六次北极科学考察的所得的楚科奇海温盐深数据,开展了北极海域声传播特性研究.通过引入Diachok海冰散射模型,将海冰界面模拟为无限椭圆形半圆柱体在自由界面的随机分布,利用Twersky散射理论计算了海冰的反射系数.使用简正波中的KRAKENC模型,结合海冰参数,进行了传播损失仿真分析.研究表明,北极的双声道波导中表面声道的传播特性与声源频率和收发深度紧密相关.深海声道与北极典型声速结构的传播特性一致,具有频率选择特性,在20 Hz左右时传播特性较为理想.此外,在远程传播时,深海声道的传播特性要优于表面声道.
【总页数】7页(P309-315)
【作者】刘崇磊;李涛;尹力;黄海宁
【作者单位】中国科学院声学研究所北京 100190;中国海洋大学青岛 266100;中国科学院声学研究所北京 100190;中国科学院声学研究所北京 100190
【正文语种】中文
【中图分类】O427.1
【相关文献】
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第27卷第1期2009年1月海洋科学进展ADVANCES IN MA RIN E SCIENCEVol.27 No.1January,2009 K raken海洋声学模型及其声传播与衰减的数值试验3李佳讯1,张 韧1,3,王彦磊2,黄志松1,张丽华3(1.解放军理工大学气象学院,江苏南京211101;2.解放军61741部队,北京100081;3.空军上海指挥所气象中心,上海200433)摘 要:针对射线、简正波、PE、FFP等传播模型的算法原理及其适用的海洋环境,建立了以Kraken声学模型计算软件为基础的海洋声场数值预报系统。
应用该预报系统对4组典型的海洋声场进行了数值试验,结果表明:在相同的海面和海底边界条件下,声场分布是由声速剖面和声源位置决定的。
在负梯度声场中,所有声线都折向海底,在极限声线外产生阴影区。
声源位于声道轴附近的温跃层中会产生波导传播。
用射线理论解释了上述现象的成因,指出了其实际应用价值。
关键词:Kraken模型;传播损失;声场预报;声纳探测中图分类号:P733.21 文献标识码:A 文章编号:167126647(2009)0120051208海水是一种导电介质。
辐射向海洋的电磁波会被海水介质本身所屏蔽,极大部分的能量以涡流损耗的形式被海水吸收,使电磁波在海水中的传播距离有限。
而声波在海水中传播时的损耗要比电磁波小得多,因而声波是能够在海水介质中进行远距离信息传输的有效载体。
研究声波在海洋中的传播,是理解和预测所有其他水声现象的基础。
而海洋声场的数值计算和预报是进行海洋混响、噪声、反演、匹配场处理、声层析等研究的基础,是现代声纳设计使用中的重要课题。
根据海洋环境因素对声场的制约,可以建立物理模型和数学模型,把可测得的海洋环境参数值代入计算机程序完成数值计算和有关场值的预报[1]。
目前所发展的声场数值预报方法主要有射线算法、简正波算法、抛物方程(PE)算法和快速声场程序法(FFP)等[2,3]。
射线算法是把声波的传播看成一束无数条垂直于等位相面的声线的传播,直观简洁,适用介质及边界的水平变化。
还能给出除场强外的其他信息(如到达时间等),但不能应用于声影区、汇聚区。
简正波算法是近年来研究较多、发展较快的一种算法。
它解释波动方程的精确积分解,计算时必须给出海底结构情况。
当因频率较高需要计算的阶数较大时,由于计算量较大,速度较慢。
PE算法是波动方程的窄角(<±20°)近似解,较易解决水平梯度问题。
它考虑了声波的衍射及各号简正波的耦合效应。
PE算法可以计算全场解,对低频问题计算速度很快,但当频率增高、深度加大时,计算时间迅速增加。
FFP算法适用于水平分层非均匀介质条件,求解应用了快速傅里叶变换(FF T)技术。
各种算法都有利弊,应根据具体问题的特点选择适合的算法。
本文所进行的声传播与衰减数值试验考虑深海远程宽角度的声传播和海洋环境的水平分层对称性,因而选用Kraken简正波模型。
3收稿日期:2007212207资助项目:国家重点基础研究发展计划项目———基于全球实时海洋观测计划(Argo)的上层海洋结构、变异及预测研究(2007CB816000)作者简介:李佳讯(19842),男,辽宁铁岭人,硕士研究生,主要从事物理海洋学方面研究.3通讯作者:张 韧,博士,教授,博士生导师,主要从事海洋环境与海气相互作用方面研究.E2mail:zren63@(高 峻 编辑)1 Kraken 简正波模型1.1 模型结构Kraken 程序是基于简正波理论的声传播计算软件,是海洋声学工具箱的模型化工具中的一部分。
它是图1 Kraken 程序包的模块结构Fig.1 Structure of the Kraken program blocks 由美国海军海洋系统中心(NOSC )和美国海军研究实验室(N RL )联合研制开发的,经过8种不同海洋环境中的测试并与真实数据的比较,证实该模型是正确有效的。
经过20多a 的不断发展完善,现在已经成为评估其他的新开发模型的标准[426]。
Kraken 程序是由多个模块构成的,不同的模块分别具有不同的功能(图1)。
功能主要分成3个:1)模式计算,包括Kraken ,Krakenc 及Krakenl ;2)声场计算程序;3)绘图程序。
1.2 算法原理在分层介质条件下,简正波方程的解是一个复杂的特征值问题。
Kraken 简正波模型是用有限差分方法解简正波方程的,可以得到快速精确的解。
它将整个海水深度D 划分为N 个等间隔的宽度h =D/N ,相应地得到N +1个点。
采用有限差分近似,可将简正波方程的连续问题化为线性代数中的特征值问题。
采用Kraken 方法根据绝热假设和W K B 近似可得波压场的解[6,7]:p (r ,z )=i ρ(z s )8πr e -i π/4∑∞m =1Ψm (z s )Ψm (z )e ik m r k m (1)式中,r 为水平距离,z 为深度,ρ为海水密度,z s 为源深,s =0,1,…,N ;Ψm 和k m 分别是求得的第m 个特征向量和特征值,m =1,2,…,∞。
由传播损失定义式:TL (r ,z )=-20lg |p (r ,z )p 0(r =1)|(2)其中p 0(r )=e ik 0r4πr,式中,k 0为波数,p 0(r )代表声源在自由空间中的声压,将式(1)代入式(2)即可计算传播损失。
2 试验数据和方法2.1 Argo 剖面浮标观测资料本文所用资料来源于中国Argo 实时资料中心提供的Argo 浮标观测资料[8]。
这些资料已经经过资料中心的实时质量控制,主要包括剖面位置和时间检验、温盐度极值检验、漂移速度检验、压力检验、毛刺检验及密度反转检验等。
同时,剔除观测层次少于10层或最大压强观测值小于500dB 的剖面[9]。
根据Argo 中心提供的海洋内部温盐观测资料,我们采用伍德声速近似计算公式[10]计算声速:25海 洋 科 学 进 展27卷c =1450+4.206t -0.0366t 2+1.137(s -35)+0.0175d (3)式中,c 为声速(m/s ),t 为温度(℃),S 为盐度,d 为深度(m ),这样就可以得到声速剖面(SSP )。
2.2 海洋声场数值预报系统海洋声场的数值预报问题是现代声呐设计和使用中所提出的重要课题。
在建立了能够反映海洋环境因素对声场的制约关系的海洋声学模型的基础上,根据可测海洋环境参数的测量值或预报值,就可以编程,由计算机完成声场的数值计算,进而实现海洋声场快速精确预报。
比如陈治国等[11]曾基于射线模型和抛物方程模型研究了海洋锋、涡旋的声场能量传播规律,对4种海洋声场做出了比较准确的数值预报。
本文借鉴该思路,用Matlab 编程设计了一个海洋声场数值预报系统的可视化GU I 界面,该系统以Kraken 简正波模型计算软件为核心,还包括Bellhop 射线模型、Scooter 有限元模型和Sparc 时域步进模型,可用于典型海洋声场传播规律和传播损失的数值试验。
系统的流程图见图2。
该系统的流程:首先打开系统主界面,然后从海洋环境数据库中选择试验海域的水声环境资料,在编辑窗口设定海面、海底边界类型及参数值,确认输入完成后即可生成环境文件(Envfil )。
接着,可以根据试验需求选择绘制声速剖面图,或者直接跳到下一步选择声场模型,选中4个模型中的1个即可运行该模型完成声场数值计算。
待系统提示计算结束后,选择“绘制水声传播模型计算结果”菜单,它有以下命令供选择:绘制声线图、绘制格林函数图、绘制简正模形状图、绘制声传播损失伪彩图、绘制随深度的传播损失图、绘制随距离的传播损失图。
根据研究需要选中一个或多个选项即可给出试验结果图。
最后退出声场预报系统。
本文从西北太平洋海域2002—2006年的Argo 资料库中选取4组典型的海洋环境声场资料,利用该数值预报系统研究各种类型声场的分布、传播和衰减特性。
图2 海洋声场数值预报系统流程图Fig.2 The flow chart of oceanic acoustic field numerical forecast system351期李佳讯,等:Kraken 海洋声学模型及其声传播与衰减的数值试验3 声传播与衰减的数值试验下面的数值试验均采用相同的海底和海面边界条件:由于海面空气的介质阻抗远小于海水的介质阻抗,故海面的边界条件取绝对软边界,在一般海况条件下假设海面为平面,海面粗糙度σs 为0.0。
海底取为砂底,海底参数ρ=2.034×103kg/m 3,声速c =1836m/s ,衰减系数k =0.47。
模拟试验中分别选取各声速剖面的下限作为水深。
3.1 试验1 负梯度型水深取为1100m 。
模型参数:声源1个,声源频率f =1000Hz ,声源深度为z s =100m ,接受器均匀地布设在垂直方向上0～1100m 深度上的201个点和水平方向上0～150km 的1001个点上。
声束柱数100,初始掠射角为-10°～10°。
海洋上层因太阳照射,表层水温较高,次表层水温较低,出现声速随水深增加而减小的现象,其相应的声速剖面图如图3。
这种情况通常发生在夏季中、低纬度海区,表层以下及次表层海水一般形成负梯度。
数值试验的结果(图4)显示:在负梯度剖面情况下,几乎所有的声线都向下折射,与海面相切的是极限声线,在极限声线以外是阴影区,阴影区的分布与初始掠射角有关。
可以用射线声学的理论解释这种现象,在负梯度下声速随深度下降,根据Snell 定律,掠射角α随深度增加而增大,从而声线弯向海底。
在大洋的典型情况下,从源到阴影区的距离只有几公里。
当然,阴影区并不是零声强区,少量的声能会因衍射和海底反射以及介质散射而照射阴影区。
图3 负梯度型声速剖面图Fig.3 Sound speed profile (SSP )withthe negativesound gradient 图4 负梯度型对应的声传播损失场图Fig.4 Sound propagation loss corresponding to the negative sound gradient负梯度型声场的实际应用价值在于由于几乎所有声线都会弯向海底,在极限声线外形成阴影区,从而会大大缩短声纳有效探测距离。
3.2 试验2 表面声道型水深取为2000m 。
模型参数:声源1个,声源频率f =1000Hz ,声源深度为z s =50m ,接受器均匀布设在垂直方向上0～2000m 深度上的201个点和水平方向上0～150km 的1001个点上。
声束柱数100,初始掠射角为-10°～10°。