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°。