Page 17 - 《应用声学》2023年第1期
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第 42 卷 第 1 期                程巍等： 大气声传播通道的声源当量估计方法                                            13


                                                               大气中，水平风对声波的传播产生影响，通常使用
             0 引言
                                                               c eff = c + v 作为静止分层大气中的等效声速，其中
                 次声是频率低于 20 Hz 的声波，由于其频率低                      c eff 为有效声速，c 为静止声速，v 为水平风在传播方
             的特性，可在大气中进行远距离传播而被有效观测。                           向分量，单位均为 m/s。在中纬度地区，大气中水平
             次声在大气中的传播包含声源的能量信息，因此                             风速随四季变化，导致不同季节有效声速随高度分
             经常被用于进行声源能量的估计。1971 年，Pierce                      布存在差异。在分层大气中，假设初始声波为地面
             等  [1]  将大气中的次声信号传播近似为 Lamb 波边                    附近水平声波，则其在大气中传播的轨迹称为声波
             缘模态，给出了使用地面传播距离与接收信号幅                             传播通道。通常使用经验大气模型获取有效声速随
             度和周期对声源能量进行估计的方法，但此方法                             高度的分布，其中声速可通过 NRLMSISE-00 模型
             由于其估计的假设条件，仅适用于较大能量声源                             获取的温度计算获得，水平风速可通过 HWM14 模
             的状况   [2] 。1998 年，Clauter 等 [3]  通过对接收信号          型获取    [7−8] 。在图 1 中，可以观察到，在夏季时，平
             周期的独立性假设得到了基于观测数据的半经验                             流层顶存在的极大值小于地面有效声速 c eff,0 ，根据
             声源能量估计方法，该公式未考虑大气中不同传                             传播通道存在判据         [9] ，在地面和平流层顶之间不存
             播通道的影响。1995 年，美国洛斯阿拉莫斯国家实                         在声波传播通道；在 85 km 以上的热层中必然存在
             验室 (Los Alamos National Laboratory, LANL) 的       大于地面有效声速 c eff,0 的高度，则在地面和热层之
             Whitaker [4]  通过对稳定位置声源多方位全年观测                    间存在声波传播通道，记为热层通道。在冬季时，平
             信号的幅值变化状况进行研究，在传统声源衰减模                            流层顶存在的极大值大于地面有效声速 c eff,0 ，则在
             型中添加了基于平流层顶水平风速作为修正量，得                            地面和平流层顶之间存在声波传播通道，记为平流
             到了基于观测数据的半经验声源能量估计方法，并                            层通道，而热层通道依旧存在。

             在数千吨能量化学爆炸声源的估计中获得良好的
                                                                        120
             效果。Stevens等    [5]  分别从接收次声信号的幅度、周
             期和频域特性出发对衰减规律进行建模，并根据传
                                                                        100
             播方向与大气水平风方向的关系对数据进行分类，
                                                                                                ܮܹ
             获得对声源能量的半经验估计方法。传统的声源能                                      80                     рܹ
             量估计方法存在较大的问题，部分方法忽视了传播
             通道模式带来的影响，部分方法只使用大气中单一                                    ᰴए/km  60
             的直接物理量基于数据对估计值进行修正。本文提
             出一种在平流层通道与热层通道同时存在情况下，                                      40
             使用两者能量比修正的声源能量估计方法。
                                                                         20
             1 大气模型
                                                                          0
             1.1 大气传播通道                                                       250    300     350    400
                                                                                    ద஍ܦᤴ/(mSs -1 )
                 大气是一种分层非均匀介质，在垂直尺度由低
                                                                  图 1  冬季与夏季北京地区有效声速随高度分布对比
             至高分为对流层、平流层、中间层和热层。平面声波
                                                                 Fig. 1 The profile of effective sound speed at Beijing
             在均匀介质中沿直线传播，而在分层非均匀介质中
                                                                 in summer and winter
             受到介质参数分布 (如声速等) 的影响发生折射而
             呈曲线传播。通过射线声学的研究，声波在非均匀                                假设地面附近存在一个各项同性的爆炸声源，
             介质中的传播轨迹向声速较小的区域弯曲                    [6] 。       则初始声波存在于竖直平面的各个方向。通过射线
                 在不同大气分层中，温度随高度的变化趋势不                          追踪方法     [10]  模拟不同初始俯仰角下的声波传播轨
             同，如图 1 所示。由于声速与温度线性相关，则声速                         迹 (如图 2 所示)，可以观察到平流层通道与热层通
             随高度的变化与温度的变化趋势一致。在运动分层                            道的存在状况。
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