【水声通信】基于matlab模拟水下声学海底峡谷上的声音传播

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🔥 内容介绍

（一）研究背景

海底峡谷作为海洋地形的特殊地貌，是大陆架向深海延伸的狭长陡峭沟槽，广泛分布于全球各大洋边缘（如我国南海北部陆坡、美国加州蒙特雷海底峡谷）。其地形具有 “深度急剧变化、侧壁陡峭、沟槽走向复杂” 的典型特征 —— 深度通常从数百米骤增至数千米，侧壁坡度可达 15°-45°，部分峡谷还存在分支沟槽与海底扇体结构。这种复杂地形与周边海域的水文环境（如温跃层、盐度梯度、海流）相互作用，使得海底峡谷成为水下声音传播的 “复杂实验室”。

水下声音传播是海洋声学的核心研究方向，广泛应用于海底资源勘探（如油气田声学探测）、水下目标监测（如潜艇探测）、海洋生态研究（如鲸类声信号追踪）等领域。在海底峡谷场景中，传统开阔海域的声传播规律（如球面扩散、均匀声道传播）不再适用：陡峭的峡谷侧壁会导致声波多次反射与散射，复杂的水文分层会引发声线折射与声道弯曲，而峡谷内的湍流与海流还会造成声信号的随机起伏。例如，在南海北部海底峡谷的油气勘探中，声波因峡谷侧壁反射产生的多径信号，曾导致勘探设备误判油气藏位置；蒙特雷海底峡谷的温跃层突变，也曾使鲸类声信号的传播距离较开阔海域缩短 40% 以上。

因此，准确模拟海底峡谷场景下的声音传播规律，揭示地形与水文因素对声传播的耦合影响，是解决海洋资源勘探精度不足、水下目标监测范围有限等问题的关键，对海洋工程与国防安全具有重要现实意义。

（二）研究意义

1. 理论意义：

• 突破传统开阔海域声传播模型的局限，建立 “地形 - 水文 - 声传播” 的耦合理论框架，完善复杂海底地貌下的海洋声学理论体系；

• 量化海底峡谷的坡度、深度变化、侧壁粗糙度等地形参数，以及温跃层深度、盐度梯度等水文参数对声传播损失、传播时延、多径效应的影响规律，为复杂海域声传播模型的构建提供理论支撑。

1. 实践意义：

• 为海底峡谷油气勘探提供精准的声传播模拟工具，优化声学探测设备的参数设置（如发射频率、声源级），减少多径干扰导致的勘探误差，提升资源勘探精度；

• 为水下目标监测系统（如声呐）的部署与性能评估提供依据，预测不同峡谷环境下的声探测范围，提高水下目标的发现概率；

• 为海洋生态保护提供技术支持，模拟鲸类等海洋生物声信号在峡谷中的传播范围，划定声干扰敏感区域，指导人类海洋活动（如航运、施工）的合理规划。

（三）国内外研究现状

1. 国外研究现状：

• 美国斯克里普斯海洋研究所针对蒙特雷海底峡谷，采用抛物方程（PE）模型结合实测地形数据，模拟了低频声波（10-100Hz）的传播规律，发现峡谷的 “沟槽导波效应” 可使声传播损失较开阔海域降低 15-20dB；

• 英国南安普顿大学基于射线理论，建立了海底峡谷声传播的三维射线追踪模型，重点分析了侧壁反射对声线路径的影响，其模拟结果与北大西洋法罗群岛海底峡谷的实测数据误差小于 5%；

• 学术领域，国外学者已开发出适用于复杂地形的声传播模拟软件（如 RAM、BELLHOP），但对峡谷内湍流导致的声信号随机起伏模拟仍需深化，且缺乏对不同水文分层场景的普适性适配。

1. 国内研究现状：

• 中国科学院声学研究所针对南海北部海底峡谷，开展了多航次的声传播实测实验，获取了不同季节（冬季混合层、夏季温跃层）的声传播损失数据，为模型验证提供了基础；

• 哈尔滨工程大学、西北工业大学等高校基于边界元法，构建了海底峡谷声传播的数值模型，重点解决了陡峭侧壁的声反射计算问题，在 200-1000Hz 频段的模拟精度达到国际先进水平；

• 目前国内研究仍存在不足：针对超深海底峡谷（深度 > 3000m）的声传播模拟研究较少；同时，地形与水文参数的动态耦合（如峡谷内海流对温跃层的扰动）对声传播的影响尚未形成成熟的量化模型。

（四）研究内容与技术路线

1. 研究内容：

• 海底峡谷地形与水文特性分析：建立峡谷地形参数（深度、坡度、侧壁粗糙度）与水文参数（温度、盐度、密度）的数据库，明确关键影响因素；

• 声传播模型构建：基于射线理论与抛物方程，构建适用于海底峡谷的三维声传播模型，考虑反射、折射、散射、吸收等传播效应；

• 模拟与验证：通过数值仿真分析不同参数（声源频率、峡谷地形、水文分层）对声传播的影响，结合实测数据验证模型准确性；

• 应用场景适配：针对资源勘探、目标监测、生态研究等场景，提出模型参数优化方案。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

function  corrk2 = PekerisCorrection(wnum,MediaParams,freq)

if isstruct(MediaParams)

    MP = MediaParams.LayersData;

else

    MP = MediaParams;

end;

omeg = 2*pi*freq;

H = MP(2,1);

cw = MP(2,2);

cb = MP(2,3);

rhow = MP(2,4);

rhob = MP(2,5);

eta = 1/(40*pi*log10(exp(1)));    

betab = MP(2,7);

cb = cb/(1+1i*eta*betab);

kvw = sqrt( (omeg/cw)^2 - wnum.^2 );

kvb = sqrt(  wnum.^2 - (omeg/cb)^2 );

b = tan( kvw*H ) + rhob*kvw./( rhow*kvb );

a = H./(2*kvw.*(cos(kvw*H)).^2 ) + (rhob*kvw./( 2*rhow*kvb )).*(  1./(kvw.^2)  + 1./(kvb.^2));

corrk2 = b./a;

🔗 参考文献

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