浅海运动目标辐射声测量距离内声聚焦特性研究

    浅海是声传播明显受到海面和海底边界影响的海域.由于多途效应使得直达声波和反射声波之间出现声场干涉现象,因此,随着空间水平位置变化,浅海声场会有能量起伏[1],在声场干涉图上就表现出明暗条纹,其能量汇集点称为声聚焦点.由于声聚焦特性的影响,给浅海近距离目标辐射噪声测量结果带来偏差,如何避免或消除声聚焦对测量结果的影响,是人们一直关注的工程问题.声场计算方法有多种:射线法[2-3]、FFP法、简正波法[4-5]、PE法[6],通常采用射线或简正波法.随着矢量水听器在水下目标辐射噪声测量中的应用[7],浅海近距离矢量声场的计算就显得尤为重要,但国内外关于此方面研究较少.鉴于浅海中运动目标辐射噪声测量通常选取距离目标50~100 m的正横距离进行[8],该文从浅海目标辐射噪声测量的实际工程角度出发,并考虑到虚源法与简正波法解亥姆霍兹方程所描述的声场具有统一性[9],在近距离条件下虚源个数可以减少,采用基于射线理论的虚源法较为方便.因此,该文利用虚源法对浅海近场条件下的声场聚焦特性进行理论分析,并进行湖上试验验证.

    1 声场计算模型

    1.1 基于虚源法的声场计算

    在通常的50~100 m测量范围内,可以忽略海水本身对声波能量的吸收,而且测量过程中,可以认为介质的密度Q、声速c和界面的反射系数不随时间变化1不失一般性,可选取水平方向为r轴,竖直向下为z轴正方向,考虑海面、海底的多次反射,可得多途条件下空间点(r, z)处的点源单频波的声压场为[10]

    式中: k为波数; Rli=(r2+Z2li)1/2(i=1~4即每增加一阶虚源所增加的4条声线),表示第l次反射时第i条声线所对应的虚源与观察点之间的距离, Zli为其垂直距离, r为其水平距离,当l=0时, Z01代表直达声, Z02代表声线经过一次海底反射, Z03代表声线经过一次海面反射, Z04代表声线先后经过一次海底和一次海面反射; V表示海面反射系数(假定为常数), Vli表示第l次第i条声线的海底反射系数,满足瑞利反射. Vli随着海底入射角度的变化而变化,一般来讲,它是一个具有实部和虚部的复数,这是因为在反射时产生相移.

    根据尤拉方程[11]:,利用下式:

    可得水平和垂直方向的质点振速分量:

    式中:Hli=arctan(r/Zli)为第l次海底反射时的入射角度,且

    式中: m为海水和海底介质的密度之比, n为海水与海底中的声速之比.

    1.2 声场计算模型的修正

    由于当入射角接近全反射角时,反射波中会出现侧面波,射线产生位移叠加而形成焦散线,此时利用虚源球面波来近似反射波就存在很大误差,应采用波动理论或焦散线理论进行分析.由文献[12]可知侧面波场: