[发明专利]一种爆炸声的声源深度和声源级的计算方法

权利要求书

1.一种爆炸声的声源深度的计算方法，基于接收船上悬挂的三个标准水听器组成的垂直接收阵实现，所述方法包括：

从三个水听器的接收信号中分别估计直达声、海面反射声和海底反射声的到达时间，以声源深度SD、接收阵水平距离R、海深W以及接收阵的倾斜角度θ为参数；设计代价函数，使用Bellhop水声传播模型计算不同海深W、不同接收阵水平距离R、不同声源深度SD和接收阵的倾斜角度θ对应的三个水听器的各声线到达时间，当代价函数达到最小值时，对应的四个参数为声源深度SD₀、接收阵实际水平距离R₀、实际海深W₀以及接收阵的实际倾斜角度θ₀，则爆炸声的声源深度为SD₀；

所述方法具体包括：

步骤1)根据水听器的接收信号，获取直达声到达1号水听器的时间A1，海面一次反射声到达1号水听器的时间B1，海底一次反射声到达1号水听器的时间C1；直达声到达2号水听器的时间A2，海面一次反射声到达2号水听器的时间B2，海底一次反射声到达2号水听器的时间C2；直达声到达3号水听器的时间A3，海面一次反射声到达3号水听器的时间B3，海底一次反射声到达3号水听器的时间C3；

步骤2)使用Bellhop水声传播模型计算不同海深W、不同接收阵水平距离R、不同声源深度SD和接收阵的倾斜角度θ时，获取直达声到达1号水听器的时间a1，海面一次反射声到达1号水听器的时间b1，海底一次反射声到达1号水听器的时间c1；直达声到达2号水听器的时间a2，海面一次反射声到达2号水听器的时间b2，海底一次反射声到达2号水听器的时间c2；直达声到达3号水听器的时间a3，海面一次反射声到达3号水听器的时间b3，海底一次反射声到达3号水听器的时间c3；

步骤3)对每一个接收到的实际信号，设定代价函数E，以声源深度SD、接收阵水平距离R、海深W以及接收阵的倾斜角度θ为参数；代价函数表达式为：

E＝f(SD,R,W,θ)

=f(A1,B1,C1,A2,B2,C2,A3,B3,C3,a1,b1,c1,a2,b2,c2,a3,b3,c3)；

E1＝|(B1-A1)-(b1-a1)|²+|(C1-A1)-(c1-a1)|²+|(C1-A1)-(c1-a1)|²；

E2＝|(B2-A2)-(b2-a2)|²+|(C2-A2)-(c2-a2)|²+|(C2-A2)-(c2-a2)|²；

E3＝|(B3-A3)-(b3-a3)|²+|(C3-A3)-(c3-a3)|²+|(C3-A3)-(c3-a3)|²；

E4＝|(A2-A1)-(a2-a1)|²+|(A3-A1)-(a3-a1)|²+|(A3-A2)-(A3-a2)|²；

E5＝|(B2-B1)-(b2-b1)|²+|(B3-B1)-(b3-b1)|²+|(B3-B2)-(b3-b2)|²；

E6＝|(C2-C1)-(c2-c1)|²+|(C3-C1)-(c3-c1)|²+|(C3-C2)-(c3-c2)|²；

E＝E1+E2+E3+E4+E5+E6；

步骤4)根据步骤2)获取的时间值，搜索代价函数的最小值，当取到最小值时，对应的四个参数为声源深度SD₀、接收阵实际水平距离R₀、实际海深W₀以及接收阵的实际倾斜角度θ₀，则爆炸声的声源深度为SD₀。

2.一种爆炸声声源级的计算方法，基于权利要求1所述方法计算的爆炸声的声源深度实现，所述方法包括：

步骤1)获取距离声源中心1m处的声压信号的离散时间序列；

在水体声速剖面为等声速剖面的情况下，按照球面波传播规律，将距离声源中心1m处的声压信号记为P₀，在距离r处接收到的信号的声压P为：

其中，k₀是波数，根据估算的爆炸声实际声源深度SD₀以及爆炸声源与垂直接收阵之间的水平距离R₀以及接收阵的倾斜度θ₀，计算爆炸声源到第三水听器的直达声的距离r：

其中，rD₁和rD₃分别为第一水听器和第三水听器的实际深度；

记声源中心1m处的声压的离散时间序列为：

f_n＝P₀(t_n),t_n＝nΔt,Δt＝1/f_s,n＝0,…N-1

其中，f_s为采样率；P₀(t_n)为根据式(1)计算得到的；

步骤2)对信号f_n作傅里叶变换，得到离散频谱序列F_k：

其中，N是离散信号序列的点数；

步骤3)计算以f₀为中心频率的三分之一倍频程带宽内的能量E(f₀)并进行归一化；

其中，f_L＝2^-1/6f₀，f_H＝2^1/6f₀，n₁＝f_L/df+1，n₂＝f_H/df+1，df＝f_s/N；

用带宽对能量E(f₀)进行归一化：

步骤4)计算爆炸声的声源级：

其中，SL(f₀)为单位为爆炸声的声源级，单位dB/Hz//1μPa²@1m，式中M_v是水听器灵敏度。