基于射線理論的水下聲場(chǎng)建模分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u250491.1高斯射線理論 1274561.2BELLHOP模型 2124551.3ACTUP軟件 437931.1.1軟件簡(jiǎn)介 4121981.1.2環(huán)境文件的結(jié)構(gòu)以及簡(jiǎn)要說(shuō)明 42012（1）TITLE 418698（2）OPTIONS1 431300（3）OPTIONS2 520922（4）OPTIONS3 51.1高斯射線理論在聲學(xué)中，經(jīng)典射線理論認(rèn)為聲波的能量是通過(guò)射線來(lái)傳播的。和光的傳播一樣，從聲源發(fā)出一定數(shù)量的射線（聲線），每一條射線都是波陣面（波動(dòng)過(guò)程中,介質(zhì)中振動(dòng)相位相同的點(diǎn)連成的面）的法線，然后經(jīng)過(guò)環(huán)境中各種物質(zhì)的反射和折射，接收器所接受到的聲線就是所有到達(dá)該接收器的聲線的疊加。如圖1.1為點(diǎn)聲源在介質(zhì)不變的環(huán)境下的射線傳播示意圖。點(diǎn)聲源點(diǎn)聲源海底海面水聽(tīng)器波陣面圖3-1點(diǎn)聲源的射線傳播示意圖基于（2.2）的Helmholtzequation可得（2.11）的程函方程和（2.12）的強(qiáng)度方程，可以得到表示分別射線的曲率和束寬的方程如下[43]：dd其中，s為射線坐標(biāo)中的聲線弧長(zhǎng)。射線的動(dòng)態(tài)方程是[24]：dq式中，cnn是與射線路徑垂直的曲率，p(s)和q(s)決定了曲率和束寬。聲束的方程表示為[44]p(s,n)=Ac其中，A是任取的常數(shù)，n是距波束中心聲線的最短距離；τs是相位延遲。最后水聽(tīng)器接受到的波束的和為：p(s,n)=其中，?θ是聲束的夾角，θm1.2BELLHOP模型1987年P(guān)orter和Bueker通過(guò)高斯波束跟蹤方法建立BELLHOP模型，該模型是事先給定起始狀態(tài)的束寬和曲率，然后通過(guò)追蹤射線和在疊加某處的聲壓來(lái)建立仿真，并以此來(lái)計(jì)算水平非均勻環(huán)境中的聲場(chǎng)。高斯波束方法認(rèn)為聲線在統(tǒng)計(jì)上是按照高斯統(tǒng)計(jì)分布變化的曲線，通過(guò)該思想，人們將每一條聲線與高斯強(qiáng)度分部聯(lián)系起來(lái)，并且把該聲線作為高斯波束的中心線，這樣便可以很好的克服傳統(tǒng)射線模型中強(qiáng)度為零的聲影區(qū)和聲強(qiáng)度為無(wú)窮大的焦散線截面的缺點(diǎn)，這些聲線能較平滑的過(guò)渡到聲影區(qū)，也能較平滑的穿過(guò)焦散線[39,40,41]。BELLHOP模型寬容性較好，可以通過(guò)高斯波束來(lái)修正聲場(chǎng)，并且通過(guò)配置不同環(huán)境、運(yùn)行不同的代碼獲得傳播損失、本征聲線以及聲線到達(dá)時(shí)間序列等數(shù)據(jù)。經(jīng)由多年的編程語(yǔ)言與電腦技術(shù)的發(fā)展，該模型出現(xiàn)出了許多不同版本，從語(yǔ)言上來(lái)說(shuō)可以用Fortran、Matlab和Python來(lái)編譯，從操作系統(tǒng)上分為Mac、Windows和Linux三類[36]。在頻率范圍600Hz~30kHz時(shí)的理論模型與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合程度較高，是美國(guó)海軍預(yù)報(bào)海洋10~100kHz頻率范圍聲傳播的標(biāo)準(zhǔn)模型，而且它已獲批準(zhǔn)可用于頻率低至600Hz的軍艦中。但該模型也有一些缺點(diǎn)，例如它作為一個(gè)確定的模型，需要預(yù)先配置環(huán)境等參數(shù)，無(wú)法表現(xiàn)出一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)變特性，并且不能像PE一樣很好的處理水平變化的聲速問(wèn)題[24,42]。如圖1.1為Bellhop模型結(jié)構(gòu)圖。圖3-2Bellhop模型結(jié)構(gòu)圖圖3-3典型的聲速剖面圖圖3-4底部反射系數(shù)圖如圖3-3聲速剖面圖表示水深與聲速的關(guān)系，淺海的聲速與深度成反比。圖3-4為底部反射系數(shù)圖，其中X軸為掠射角（與入射角互為補(bǔ)角），Y軸為傳播損失，在不同介質(zhì)層反射—透射圖如圖3-5所示，我們用R和T表示反射波和透射波的幅度[24]。水層水層沉積物層ρρ法線入射波反射波透射波θθθ圖3-5在不同介質(zhì)層反射—透射圖式中ρ1和c1分別表示介質(zhì)1的密度和在其中傳播的聲速，θ1為掠射角，R=R也被成為瑞利反射系數(shù)，ZiBL=?101.3ACTUP軟件1.1.1軟件簡(jiǎn)介ACTUP軟件是由澳大利亞科廷科技大學(xué)（CurtinUniversityofTechnology）的海洋科學(xué)技術(shù)中心（CenterforMarinScienceandTechnology）開(kāi)發(fā)的，用來(lái)水聲仿真研究領(lǐng)域[30]。該軟件全稱為AcousticToolboxUser-interface＆Post-processor，其包含了常用的水聲傳播模型，并對(duì)環(huán)境模型進(jìn)行了編譯，用戶能夠通過(guò)對(duì)各類環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，生成不同的環(huán)境，使得仿真研究更加有效，并且該軟件會(huì)提供了一些常用的圖形繪制，比如傳播損失隨著距離和深度的變化、沖激響應(yīng)、底部反射系數(shù)、聲速圖等[22]。1.1.2環(huán)境文件的結(jié)構(gòu)以及簡(jiǎn)要說(shuō)明*.env文件主要包含了TITLE、OPTIONS1至OPTIONS3[45]這幾個(gè)模塊。（1）TITLETITLE主要描述了聲波的頻率和傳播介質(zhì)的個(gè)數(shù),在BELLHOP中傳播介質(zhì)的個(gè)數(shù)總是設(shè)置為1，與之不同的是KRAKEN模型中處理多層問(wèn)題。（2）OPTIONS1主要描述了BELLHOP為了計(jì)算聲速以及沿著聲線相關(guān)的其他參數(shù)而采用的一些插值方法（C為型線性插值、A為分析插值等）、海水表面的類型（V表示表面真空、R代表表面完全剛性的硬物）、用來(lái)描述底部的衰減所用的單位、要描述聲音的ThopeVolume衰減、用*.ati文件來(lái)描述海面邊界形狀，后兩個(gè)為可選參數(shù)。（3）OPTIONS2用來(lái)述水下環(huán)境狀況。一是海底介質(zhì)（A：聲學(xué)半空間：聲學(xué)半空間的特點(diǎn)是其介質(zhì)的密度均勻、在其中傳播的聲速恒定，而海水環(huán)境中聲速會(huì)按照下表的規(guī)律發(fā)生變化）、二是海底地形，缺省代表平坦海底，可通過(guò)*.bty設(shè)置海底地形。（4）OPTIONS3描述輸出情況，通過(guò)選