發布時間：2021-09-23所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：提出了一種結合大氣聲場模擬與中近程超壓幅度衰減模型的爆炸聲源能量估計方法，針對傳統聲源能量估計公式未能充分利用大氣參數導致估計誤差過大的問題，本方法通過對大氣中傳播損失的數值模擬，大大提高了大氣參數對于聲源能量估計的修正效果，提高對
摘要：提出了一種結合大氣聲場模擬與中近程超壓幅度衰減模型的爆炸聲源能量估計方法，針對傳統聲源能量估計公式未能充分利用大氣參數導致估計誤差過大的問題，本方法通過對大氣中傳播損失的數值模擬，大大提高了大氣參數對于聲源能量估計的修正效果，提高對聲源能量的估計精度。在地表化學爆炸實驗中，使用300km到2500km的距離的次聲接收信號，對比了傳統能量估計公式與基于大氣聲場模擬的能量估計方法對爆炸聲源的能量估計效果。實驗結果驗證了相對于傳統聲源能量估計方法，該方法降低聲源能量估計誤差的有效性。
關鍵詞：聲源能量估計;非線性漸進波動方程;中近程超壓幅值衰減模型
1.引言
基于地面觀測信號對爆炸聲源參數進行估計是一種被動式遠距離信息感知手段，其中聲波探測是對聲源能量等信息進行估計的重要手段。地表附近爆炸產生的壓力波在大氣中衰減為聲波傳播，傳播過程中大氣對其各項吸收效應與其頻率呈負相關，而次聲波頻率較低(0~16Hz)，在大氣中傳播衰減小，是對爆炸等事件遠距離監測的有效手段。全面禁止核試驗條約組織(CTBTO)為了監測全球核試驗狀況，建立了預期包含60個次聲臺陣的國際監測系統(InternationalMonitoringSystem，簡記為IMS)，并將次聲作為爆炸源定位與能量估計的主要手段。現有的遠距離能量估計方法為來自于理論模型搭建與實驗測量數據相結合的半經驗公式。美國空軍技術應用中心(AirForceTechnicalApplicationsCenter，簡記為AFTAC)根據理論模型與觀測數據提出比較適合低當量實驗結果的能量估計半經驗公式，使用參數為聲壓峰值和距離[1]。1995年洛斯·阿拉莫斯國家實驗室(LosAlamosNationalLaboratory，簡記為LANL)根據聲波在大氣中衰減特性與多次爆炸實驗的數據總結，總結出普適性更佳，包含聲壓峰值、距離與大氣風速參數的能量估計半經驗公式[2]。俄羅斯巖石動力學研究所(TheInstitutefortheDynamicsoftheGeospheres，簡記為IDG)根據傳播方向與風向的垂直關系分別進行修正，對聲源能量進行估計[3]。2001年，Kulichkov根據脈沖信號N形波動量保持理論，利用遠距離接收的N形波與U形波的沖量對聲源能量進行估計[4]。
由于大氣參數呈層狀分布，溫度與水平風速隨海拔的變化使得次聲在大氣中以波導形式傳播。大氣參數的垂直參數分布決定聲波在大氣中不同傳播方向的波導模式。在LANL提出的聲源能量估計公式中，使用平流層頂水平風速作為大氣參數修正因子，此公式由于其計算速度快、誤差相對較小而被廣泛使用，但其修正因子對于大氣參數的利用率很低，這導致其修正范圍有限且穩健性很差。本文從大氣聲傳播理論出發提出一種使用大氣全高度垂直參數修正的聲源能量估計方法，通過大氣中計算聲學方法對接收聲壓幅值進行修正，并針對聲源中近距離范圍提出適用的超壓幅值衰減模型，大大提高了使用遠距離接收次聲信號幅值對聲源能量估計的準確性。
2.大氣全高度垂直參數修正的能量估計方法
2.1問題提出
LANL研究了美國內華達試驗場附近觀測站點全年接收聲壓信號隨日期的變化，觀察到位于聲源東側的次聲臺陣接收聲壓值在夏季顯著減小，而位于南北方向次聲臺陣接收聲壓值全年幾乎不變。通過研究水平風速隨季節的變化，研究人員認為夏季風向與聲波傳播方向相反導致接收聲壓的異常減小，因此使用平流層頂水平風速用于修正接收點的聲壓。
常用的計算大氣聲學方法有射線法、拋物方程法、非線性漸進波動方程法(NonlinearProgressiveWaveEquation，簡記為NPE)和有限元方法[7-8]。射線法使用的聲線模型無法讀取出任意位置點的能量值，首先予以排除。由于本方法需要獲取觀測點位置聲波能量損失值，應盡量多考慮大氣中的影響因素，而有限元方法在遠距離仿真狀況下計算量過大，缺乏實際可用性，因此選用相對于拋物方程法額外考慮到折射效應與非線性陡峭等非線性效應的NPE數值模擬方法。
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由于NPE算法中使用的傳播損失量由運動窗疊加求得，則傳播損失的絕對數值與運動框步長負相關，無法直接用于聲源能量估計，因此需要使用傳播損失的相對數值通過間接法進行計算。根據本節前文的描述，NPE方程對于非強非線性線性聲波傳播范圍內可進行有效地模擬，對于更近范圍內的聲波能量傳播損失值的模擬，由于未能保留更加高階的小量[14]，無法對此范圍內沖擊波的強非線性效應進行準確模擬。因此，如果直接使用接收臺陣位置的傳播損失量作為對聲源能量估計，聲源附近的強非線性效應模擬誤差與輸入聲源函數特性的影響為能量估計帶來額外的誤差，因此本文采用弱非線性效應區域傳播損失相對值法進行聲源能量估計。
3.實驗與討論
為了驗證本計算方法的普適性，本文使用2011年1月24日在以色列Sayarim進行的化學爆炸實驗數據[20]進行驗證，聲源位置坐標為34.81668E，29.99555N，實驗測量得到的數據與相關參數見表1，其中的風速數據來自HWM14大氣風場模型。實驗聲源為在地表進行的化學爆炸，其能量為7.4噸TNT。
為了驗證參考距離的選取對聲源估計精度的影響，選取r0=1,2,3…,30
根據圖2中的數值計算結果，在方位角為14度、50度、95.5度和113度四個方向的次聲傳播過程中均存在平流層波導。與此相一致的是，在表1中這六個點位對應的
表3中的六個觀測點位分布在距離聲源300km到2500km之間的范圍內，通過表內誤差的對比可以觀察到，對于此次化學爆炸試驗，LANL聲源聲量估計公式對聲源能量的估計明顯偏大。表1中的
在實際使用中，次聲信號可以被相對于聲源位置不同方位角的多個次聲臺陣接收到，而LANL提出的聲源能量估計公式在計算比較快速的情況下，對于聲源能量的估計誤差一般在300%以內，可直接使用多陣平均值對聲源能量進行估計。但是對于大氣參數對接收信號影響較大的情況下，傳統聲源能量估計方法的估計誤差可能達到將近4000%，在多陣計算中只能作為錯誤項去除。而通過本文提出的NPE_MR聲源能量估計方法，可以將大氣參數對接收聲波幅度的影響進行大幅度修正，得到可用于多陣平均計算的結果，提高接收陣的信息利用效率，減小對聲源能量估計的誤差。
4.結論
對于通過大氣遠距離傳播的次聲信號，美國與俄羅斯使用大氣中的風場信息對其進行修正以減小聲源能量估計的誤差。其中美國LANL提出的包含風速修正項的聲源能量估計公式對聲源能量的計算誤差最小，但是在傳播損失特別大時，由于修正項可提供的修正幅度有限，無法將估計值誤差修至300%以下。本文提出了利用大氣中傳播模擬仿真與MR衰減模型的聲源能量估計方法，大大拓寬了大氣參數對于聲源能量估計值的修正范圍。在實驗驗證中，本文使用2011年以色列Sayarim化學爆炸實驗的實測數據，對比了本方法與傳統半經驗計算公式計算結果之間的誤差，證明本方法在需要使用大氣數據對初始聲源能量估計結果進行大幅度修正的情況下比傳統半經驗公式有更好的性能。在后續的工作中，需要對NPE方法的穩定性做進一步的提高，減少聲源能量估計值異常偏小的情況。——論文作者：程巍1)2)，滕鵬曉1)†，呂君1)，姬培鋒1)，戴翊靖1)2)
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