JPH0129429B2 - - Google Patents
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- JPH0129429B2 JPH0129429B2 JP58068348A JP6834883A JPH0129429B2 JP H0129429 B2 JPH0129429 B2 JP H0129429B2 JP 58068348 A JP58068348 A JP 58068348A JP 6834883 A JP6834883 A JP 6834883A JP H0129429 B2 JPH0129429 B2 JP H0129429B2
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
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- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
(技術分野)
本発明は水中の音波伝搬特性を解析する音波伝
搬シミユレーシヨン方式に関し、特に水中におか
れた音源から音波が放射されたときに、任意の水
中位置に受波器をおいて音波を受波した場合の受
波出力を求めるためのシミユレーシヨン方式に関
するもので、特に、音源や受波器が指向性を持つ
場合に、その指向性の効果を正確に表わすことの
できるシミユレーシヨン方式を提供するものであ
る。Detailed Description of the Invention (Technical Field) The present invention relates to a sound wave propagation simulation method for analyzing the propagation characteristics of sound waves in water. This method relates to a simulation method for determining the received wave output when a sound wave is received by a wave transmitter.In particular, when the sound source or receiver has directivity, it is used to accurately represent the effect of the directivity. This provides a simulation method that allows for
(背景技術)
ソーナー等の海洋音響機器の性能は、その運用
現場の海洋環境により大きく変化する。従つて、
機器の効果的運用のために、海洋中の音波伝搬特
性を把握することは重要であり、種々の音波伝搬
モデルが開発されている。(Background Art) The performance of marine acoustic equipment such as sonar varies greatly depending on the marine environment at the site of its operation. Therefore,
For effective operation of equipment, it is important to understand the characteristics of sound wave propagation in the ocean, and various sound wave propagation models have been developed.
ノーマルモード理論は波動方程式の厳密解を与
える一手法である。これによると、音源から放射
された音波を、鉛直方向に定在波を形成する円筒
進行波(これをノーマルモード波という)の重畳
として表わす。 Normal mode theory is a method for providing exact solutions to wave equations. According to this, sound waves radiated from a sound source are expressed as a superposition of cylindrical traveling waves (called normal mode waves) that form standing waves in the vertical direction.
この様子を第2図に示す円筒座標系を用いて説
明する。周波数fの調和振動をする単位強度の点
音源による成層化媒質中の音場は次のヘルムホル
ツ方程式で表わされる。 This situation will be explained using the cylindrical coordinate system shown in FIG. A sound field in a stratified medium caused by a point source of unit intensity that vibrates harmonically at frequency f is expressed by the following Helmholtz equation.
▽2φ(r→)+K2(r→)φ(r→)=−4πδ(r
→−r→S)
……(1)
ここで▽2はラプラス演算子、r→は受波点の座
標、r→S=(O、O、Zs)は音源の座標、φ(r→)
exp(−i2πft)は音圧、K(r→)=2πf/C(r)
は媒質中
の音波の波数、δはデイラツクのデルタ関数であ
る。以降、簡単のため、音圧の複素振幅であるφ
(r→)を単に音圧と呼ぶことにする。 ▽ 2 φ(r→)+K 2 (r→)φ(r→)=−4πδ(r
→−r→ S )
...(1) Here, ▽ 2 is the Laplace operator, r→ is the coordinate of the receiving point, r→ S = (O, O, Z s ) is the coordinate of the sound source, φ(r→)
exp(-i2πft) is sound pressure, K(r→)=2πf/C(r)
is the wave number of the sound wave in the medium, and δ is the Dirac delta function. Hereafter, for simplicity, φ, which is the complex amplitude of sound pressure,
Let us simply call (r→) the sound pressure.
ここで、K(r→)を深さのみの関数、K(zR)と
仮定すると式(1)は解のZ軸に対して対象となる。
そこで、以後θ=0の平面上で考えることにし、
θの表記を省略する。式(1)の解は全方向に広がつ
ていく音波の重畳として、
φ(r、z)=2∫∞ 0G(z、zS;K)JO(Kr)KdK
……(2)
で表わされる。ここでJoは0次のベツセル関数
である。また、Gはグリーン関数であり、次のZ
についての方程式(3)、および境界条件(海面およ
び深さ無限大で音圧零、層の境界面で音圧と鉛直
方向の粒子速度が連続)を満足する。また、Kは
複素平面上の複素数である。 Here, assuming that K(r→) is a function of depth only, K(z R ), equation (1) becomes symmetrical with respect to the Z axis of the solution.
Therefore, from now on, we will consider it on the plane of θ=0,
The notation of θ is omitted. The solution to equation (1) is as a superposition of sound waves spreading in all directions, φ (r, z) = 2∫ ∞ 0 G (z, z S ; K) J O (Kr) KdK
...It is expressed as (2). Here, Jo is a zero-order Betzel function. Also, G is Green's function, and the following Z
Equation (3) for , and the boundary conditions (sound pressure is zero at sea surface and infinite depth, sound pressure and vertical particle velocity are continuous at the layer interface) are satisfied. Further, K is a complex number on a complex plane.
d2G/dz2+[K2(z)−K2]G=−δ(z−zs)
……(3)
ノーマルモード解は式(2)に留数定理を適用する
と得られ、ノーマルモード波の累積和といくつか
の分岐線積分とで次の様に表わされる。 d2G / dz2 +[ K2 (z) −K2 ]G=−δ(z− zs )
...(3) The normal mode solution is obtained by applying the residue theorem to equation (2), and is expressed by the cumulative sum of normal mode waves and some branch line integrals as follows.
φ(r、z)=πi
〓
〓n
HO (1)(Kor)Uo(z)Uo(zS)+∫BLG(z、zS;K
)HO (1)(Kr)KdK(4)
ここでnはモード番号、HO (1)は0次の第1種
バンケル関数を表わす。またKoはn次モードの
固有値であり、グリーン関数Gの複素平面上の特
異点である。Uo(z)は正規化された深さ方向の
ノーマル・モード固有関数であり、式(3)の同次式
d2Uo(z)/dz2+[K2(z)−K2 o]Uo(z)=0
(5)
および境界条件を満足する。また次の直交条件
を満たす
∫∞ 0[ρ(z)/ρ(Zs)Uo(z)Un(z)dz=δ
on
……(6)
ここでρ(z)は媒質の密度であり、δonはクロ
ネツカのデルタ関数を表わす。φ (r, z) = πi 〓 〓 n H O (1) (K o r) U o (z) U o (z S ) + ∫ BL G (z, z S ; K
)H O (1) (Kr)KdK(4) Here, n is the mode number, and H O (1) represents the 0th order Wankel function of the first kind. Further, K o is an eigenvalue of the n-th mode, and is a singular point on the complex plane of the Green's function G. U o (z) is the normal mode eigenfunction in the normalized depth direction, and the homogeneous expression of equation (3) d 2 U o (z)/dz 2 + [K 2 (z) − K 2 o ] U o (z)=0
(5) and the boundary conditions are satisfied. Also, the following orthogonality condition is satisfied ∫ ∞ 0 [ρ(z)/ρ(Zs)U o (z)U n (z)dz=δ
on
...(6) Here, ρ(z) is the density of the medium, and δ on represents the Kronecka delta function.
式(4)の右辺第2項は複素数Kの複素平面上での
Gの分岐線に沿つた積分を表わす。分岐線はGが
Kについての多価関数となり、Kの実部が正とな
る半平面内に分岐点を持つ場合に生じる。そこで
海底を含めた海洋を任意の層に分割し、各層内で
の音波の屈折率の2乗を深さに対して線形な関数
で表わす(音速プロフアイルを折れ線近似する)
と、GがKについての一価関数となり、式(4)中の
積分項は消えて下記の式(7)の離散的なノーマルモ
ード波だけで完全な音場が表わされることにな
る。 The second term on the right side of equation (4) represents the integral of the complex number K on the complex plane along the branch line of G. A branch line occurs when G becomes a multivalued function with respect to K and has a branch point in a half plane where the real part of K is positive. Therefore, we divide the ocean, including the ocean floor, into arbitrary layers, and express the square of the refractive index of the sound wave within each layer as a linear function with respect to depth (approximate the sound speed profile with a polygonal line).
Then, G becomes a single-valued function with respect to K, the integral term in equation (4) disappears, and a complete sound field is expressed only by the discrete normal mode waves of equation (7) below.
P(r、ZR、ZS;f)iπ∞
〓n=1
Uo
(ZS)Uo(ZR)HO (1)(Kor) ……(7)
音源や受波器が指向性を持つ場合については、
従来、次式の形でその効果を導入していた。 P(r, Z R , Z S ; f) iπ ∞ 〓 n=1 U o (Z S ) U o (Z R ) H O (1) (K o r) ……(7) Sound source and receiver For the case where is directional,
Conventionally, this effect was introduced in the form of the following equation.
P(r、ZR、ZS;f)=iπ∞
〓
〓n=1
DS(θoS)DR(θoR)Uo(ZS)Uo(ZR)HO (1)(Kor
)……(8)
ここでDS(θ)、DR(θ)はそれぞれ音源、受波
器の鉛直指向係数であり、θは水平方向を基準に
して下向きを正にとつた俯角である。θoSおよび
θoRは第nモードのノーマルモード波に対する等
価音線(第nモードのノーマルモード波と同じ転
回点深度を持つ音線)の音源および受波点深度に
おける俯角を表わす。すなわち、媒質中の波数を
深度Zの関数として、k(Z)と表わすと、
θoS=cos-1[Ko/k(ZS)]、
θoR=cos-1[Ko/k(ZR)] ……(9)
で与えられる。 P(r, Z R , Z S ; f)=iπ ∞ 〓 〓 n=1 D S (θ oS ) D R (θ oR ) U o (Z S ) U o (Z R ) H O (1) ( K o r
)...(8) Here, D S (θ) and D R (θ) are the vertical directivity coefficients of the sound source and receiver, respectively, and θ is the angle of depression with the downward direction being positive with respect to the horizontal direction. . θ oS and θ oR represent depression angles at the sound source and receiving point depths of an equivalent sound ray for the n-th mode normal mode wave (a sound ray having the same turning point depth as the n-th mode normal mode wave). That is, if the wave number in the medium is expressed as k(Z) as a function of depth Z, θ oS = cos -1 [K o /k (Z S )], θ oR = cos -1 [K o /k ( Z R ) ] ... is given by (9).
すなわち、(8)式の意味するところは、各ノーマ
ルモード波は音源から放射されるときに、その等
価音線の音源深度における俯角θoSに対応した音
源指向係数DS(θoS)の重みを持つて放射され、受
波点で受波されるときに前記等価音線の受波深度
における俯角θoRに対応した受波指向性DR(θoR)
の重みを付されて出力されるということである。
これは、各ノーマルモード波が前記等価音線に沿
つた方向に放射され、受波点には前記等価音線に
沿つた方向から到来するという仮定に立つた方法
である。 In other words, what Equation (8) means is that when each normal mode wave is radiated from the sound source, the weight of the sound source directivity coefficient D S (θ oS ) corresponding to the depression angle θ oS at the sound source depth of the equivalent sound ray The receiving directivity D R (θ oR ) corresponding to the depression angle θ oR at the reception depth of the equivalent sound ray when the wave is radiated with the same angle and received at the receiving point.
This means that it is weighted and output.
This method is based on the assumption that each normal mode wave is radiated in a direction along the equivalent acoustic line and arrives at the receiving point from the direction along the equivalent acoustic line.
しかし、この方法は次のような問題点を持つて
いる。 However, this method has the following problems.
(ア) 個々のノーマルモード波は(7)式から明らかな
ように、鉛直方向にUo(z)の振幅分布を持
ち、水平方向(θ=0)に伝搬するものであ
り、第3図に示すような等価音線に沿つた方向
には伝搬しない。等価音線の方向へのエネルギ
ーの伝搬は、いくつかのノーマルモード波の相
互干渉によつて生じるものである。したがつ
て、前記の仮定は成立たない。(a) As is clear from equation (7), each normal mode wave has an amplitude distribution of U o (z) in the vertical direction and propagates in the horizontal direction (θ = 0), as shown in Figure 3. It does not propagate in the direction along the equivalent sound line as shown in . The propagation of energy in the direction of the equivalent sound ray is caused by mutual interference of several normal mode waves. Therefore, the above assumption does not hold.
(イ) 音源や受波器が指向性を持つには、有限の大
きさが必要であり、指向性は、その有限の大き
さのものを均質媒質中においた場合について定
義したものである。しかし、実際の海洋では媒
質が不均質であるため、前記指向性は厳密には
実現できず、誤差を持つことになる。従来の方
式では、この誤差を評価することができない。(b) In order for a sound source or receiver to have directivity, it must have a finite size, and directivity is defined when a thing of that finite size is placed in a homogeneous medium. However, since the medium in the actual ocean is inhomogeneous, the above-mentioned directivity cannot be strictly achieved and there will be errors. Conventional methods cannot evaluate this error.
(ウ) 音源から放射されるノーマルモード波の等価
音線は、音線から+θoS方向に放射されるもの
と、−θoSに放射されるものとの2本存在する。
従つて(8)式により音源指向性の効果を表現する
には、DS(θ)がθ=0に関して対称でなけれ
ばならない、受波指向性DR(θ)に関しても同
様のことが言える。従来の方式では、従つて、
指向性パターンの主軸が俯角を持つている場合
等、θ=0に関して不対称な指向性の効果は評
価できない。(c) There are two equivalent sound rays of the normal mode wave radiated from the sound source: one radiated from the sound ray in the +θ oS direction and one radiated in the −θ oS direction .
Therefore, in order to express the effect of sound source directivity using equation (8), D S (θ) must be symmetrical with respect to θ = 0. The same can be said for received wave directivity D R (θ). . In the conventional method, therefore,
In cases where the main axis of the directivity pattern has an angle of depression, the effect of directivity that is asymmetric with respect to θ=0 cannot be evaluated.
(発明の課題)
本発明は、これらの欠点を取除くため、指向性
音源、および指向性受波器に対してそれぞれ等価
な鉛直指向性を持つ鉛直直列音源および鉛直直線
配列受波器を形成して、該指向性音源による音場
を該鉛直直線配列音源の各素子による音場の重畳
として算出し、また該指向性受波器の受波出力を
該鉛直直線配列受波器の各素子の受波出力の和と
して算出するようにしたもので、以下詳細に説明
する。(Problems to be solved by the invention) In order to eliminate these drawbacks, the present invention forms a vertically serially arrayed sound source and a vertically arrayed receiver having vertical directivity equivalent to the directional sound source and the directional receiver, respectively. Then, the sound field due to the directional sound source is calculated as a superposition of the sound field due to each element of the vertically arrayed sound source, and the received wave output of the directional receiver is calculated as a superposition of the sound field due to each element of the vertically arrayed sound source. This is calculated as the sum of the received wave outputs, and will be explained in detail below.
(発明の構成および作用)
まず、本発明の概念を説明する。音源の指向性
DS(θ)が音速COの均質無限媒質において定義さ
れているものとする。音源位置を原点とし、ξ軸
を鉛直下向きにとつたデカルト座標系x−ξを考
える。該指向性音源と等価な鉛直指向性を持つ鉛
直直線状音源の重み分布をWS(ξ)とすると、DS(θ)
とWS(ξ)との間には次式の関係が成立する。(Structure and operation of the invention) First, the concept of the invention will be explained. directionality of sound source
Assume that D S (θ) is defined in a homogeneous infinite medium with the speed of sound C O. Consider a Cartesian coordinate system x-ξ with the sound source position as the origin and the ξ axis pointing vertically downward. If the weight distribution of a vertical linear sound source with vertical directivity equivalent to the directional sound source is W S (ξ), then D S (θ)
The following relationship holds true between and W S (ξ).
DS(θ)=∫∞ -∞WS(ξ)exp(i2πf/COξsinθ)d
ξ
……(10)
ここで
η=f/COsinθ ……(11)
のおきかえを行うと、(10)式はフーリエ逆変換の形
になり、(ξ)は次のフーリエ変換により与えら
れる。D S (θ)=∫ ∞ -∞ W S (ξ)exp(i2πf/C O ξsinθ)d
ξ ...(10) Here, if we replace η=f/C O sinθ ...(11), equation (10) becomes the form of inverse Fourier transform, and (ξ) is given by the following Fourier transform. .
WS(ξ)
=∫∞ -∞D[θ(n)]exp(−i2πηξ)daη、…
…(12)
θ(η)=sin-1(COη/f) ……(13)
(12)式を離散的フーリエ変換により近似すると、
該指向性音源と等価な鉛直指向性を持つ、鉛直直
線配列音源の重み分布が得られ、次式のようにな
る。W S (ξ) =∫ ∞ -∞ D[θ(n)]exp(−i2πηξ)daη,…
…(12) θ(η)=sin -1 (C O η/f) …(13) Approximating equation (12) by discrete Fourier transform, we get
A weight distribution of a vertically arranged sound source having vertical directivity equivalent to that of the directional sound source is obtained, and is expressed by the following equation.
WSl=1/NSexp(−i2πηSOξS1)NS-1
〓
〓m=0
ESnexp(−i2π1m/NS)、l=0、1、2、……、N
S−1……(14)
ここで
ESn=DSnexp(−i2πmξSOΔηS)、
DSn=DS[θ(ηSn)] ……(15)
ξSl=ξSO+lΔξS、ηSn=ηSO+mΔηS、
ΔξS・ΔηS=1/NS ……(16)
であり、ξSl、nSnはそれぞれξ、nのサンプル値、
ΔξS、ΔηSはξ、ηのサンプル間隔、NSはサンプ
ル点数を表わす。W Sl = 1/N S exp (−i2πη SO ξ S1 ) NS-1 〓 〓 m=0 E Sn exp (−i2π1m/N S ), l=0, 1, 2, ..., N
S −1……(14) Here, E Sn =D Sn exp(−i2πmξ SO Δη S ), D Sn =D S [θ(η Sn )]……(15) ξ Sl =ξ SO +lΔξ S , η Sn = η SO +mΔη S , Δξ S・Δη S = 1/N S ...(16) where ξ Sl and n Sn are the sample values of ξ and n, respectively,
Δξ S and Δη S represent sample intervals of ξ and η, and N S represents the number of sample points.
音源の中心の水中における深度はZSであるか
ら、該鉛直直線配列音源の各素子の深度ZS1は、
ZSl=ZS+ξSl=ZSξSO+lΔξS ……(17)
となる。 Since the depth of the center of the sound source underwater is Z S , the depth Z S1 of each element of the vertically arranged sound source is Z Sl =Z S +ξ Sl =Z S ξ SO +lΔξ S (17).
指向性受波器に対する等価直線配列受波器につ
いても、同様の方法でその各受波素子の位置と重
み(受波感度)を決定できる。それぞれをZRp、
WRP、p=0、1、……、NR−1と表わし、
(15)式のESn、DSnに対応する受波指向性のサン
プル・データをERq、DRq、q=0、1、……NR
−1とする。 Regarding the equivalent linear array receiver for the directional receiver, the position and weight (receiving sensitivity) of each receiving element can be determined in a similar manner. Z Rp for each,
W RP , p=0, 1, ..., N R -1,
Sample data of receiving directivity corresponding to E Sn and D Sn in equation (15) are expressed as E Rq , D Rq , q=0, 1,...N R
-1.
次に前記等価直線配列音源、および等価直線配
列受波器を実際の海洋においた場合の音場および
受波器出力について説明する。(0、0、ZSl)の
位置におかれた重み1の無指向性点音源による
(r、0、ZRp)の位置での音圧は、次式で表わさ
れる。 Next, the sound field and receiver output when the equivalent linear array sound source and the equivalent linear array receiver are placed in the actual ocean will be explained. The sound pressure at the position (r, 0, Z Rp ) caused by a non-directional point sound source with a weight of 1 placed at the position (0, 0, Z Sl ) is expressed by the following equation.
Ψ(r、ZRpZSl;f)=iπ∞
〓n=0
Uo(ZSl)
Uo(ZRp)HO (1)π(kor) ……(18)
従つて、前記等価配列音源による(r、0、
ZRp)の位置での音圧は(18)式に音源素子の重
みWSlを乗じ、その結果をlについて重畳すると
得られ、次のようになる。Ψ(r, Z Rp Z Sl ;f)=iπ ∞ 〓 n=0 U o (Z Sl ) U o (Z Rp ) H O (1) π(k o r) ……(18) Therefore, the above By equivalent array sound source (r, 0,
The sound pressure at the position Z Rp ) can be obtained by multiplying equation (18) by the weight W Sl of the sound source element and superimposing the result with respect to l, as follows.
P(r、ZRp、ZS:f)=iπ∞
〓n=0
Uo(ZRp)
HO (1)(kor)NS-1
〓l=0
WSlUo(ZSl) ……(19)
ベクトル表現を用い
WS=(WSO、WS1、…WS、NS−1)T ……(20)
UoS=[Uo(ZSO)、Uo(ZS1)、…、
Uo(ZS、NS−1)]T ……(21)
と表わすと、(17)式は次のように書き改められ
る。P(r, Z Rp , Z S :f)=iπ ∞ 〓 n=0 U o (Z Rp ) H O (1) (k o r) NS-1 〓 l=0 W Sl U o (Z Sl ) ...(19) Using vector representation, W S = (W SO , W S1 , ...W S , N S −1) T ...(20) U oS = [U o (Z SO ), U o (Z S1 ), ..., U o (Z S , N S −1)] T ... (21), then equation (17) can be rewritten as follows.
P(r、ZRp、ZS:f)=iπ∞
〓n=0
(UoS、W* S)
Uo(ZRp)Hp (1)(kor) ……(22)
(*は共役複素数を意味する符号、以下同様)
前記等価直線配列受波器の受波出力は、(22)
式に受波素子の重みWRpを乗じ、その結果をすべ
ての受波素子について重畳すると得られ、次式の
ようになる。P(r, Z Rp , Z S :f)=iπ ∞ 〓 n=0 (U oS , W * S ) U o (Z Rp ) H p (1) (k o r) ……(22) (* is a sign that means a conjugate complex number, the same applies hereinafter) The received wave output of the equivalent linear array receiver is (22)
The equation is multiplied by the weight W Rp of the receiving element, and the result is superimposed for all receiving elements, resulting in the following equation.
V(r)=iπ∞
〓n=0
(UoS、W* s)Hp (1)(kor)
NR-1
〓p=0
WRpUo(Zrp) ……(23)
ベクトル表現を用い
WR=(WRO、WR1、…WR、NR−1)T
……(24)
UoR=[Uo(ZRO)、Uo(ZR1)、…、
Uo(ZR、NR−1)]T ……(25)
と表わすと、(23)式は次のように書き改められ
る。V(r)=iπ ∞ 〓 n=0 (U oS , W * s ) H p (1) (k o r) NR-1 〓 p=0 W Rp U o (Z rp ) ……(23) Vector Using the expression W R = (W RO , W R1 ,...W R , N R −1) T
…(24) U oR = [U o (Z RO ), U o (Z R1 ), …, U o (Z R , N R −1)] T … (25) If expressed as (23) The formula can be rewritten as follows.
V(r)=iπ∞
〓n=0
(UoSW* S)(UoRW* R)HO (1)(kor)=iπ∞
〓n=0
GoHO (1)(kor) ……(26)
ここで
Go=(UoSW* S)(UoRW* R) ……(27)
である。予め設定された距離rj、j=0、1、…
…K−1についてV(r)の値を求めることにし、
V=[V(rO)、V(r1)、……、V(rK-1)]T
……(28)
Ho=iπ[HO (1)(korO)、HO (1)(kor1)、…
、HO (1)(korK-1)]T……(29)
とおくと、(26)式は次のように書き改められる。 V(r)=iπ ∞ 〓 n=0 (U oS W * S ) (U oR W * R ) H O (1) (k o r)=iπ ∞ 〓 n=0 G o H O (1) ( k o r ) ... (26) Here, G o = (U oS W * S ) (U o R W * R ) ... (27). Preset distance r j , j=0, 1,...
...Determining to find the value of V(r) for K-1, V=[V(r O ), V(r 1 ), ..., V(r K-1 )] T
...(28) H o = iπ[H O (1) (k o r O ), H O (1) (k o r 1 ),...
, H O (1) (k o r K-1 )] T ... (29), then equation (26) can be rewritten as follows.
V=∞
〓n=0
GoHo=∞
〓n=1
Vo ……(30)
以下簡単のため、次の量もベクトル表現を用い
ることにする。 V = ∞ 〓 n=0 G o H o = ∞ 〓 n=1 V o ... (30) For simplicity, we will also use vector representation for the following quantities.
DS=(DSO、DS1、……DS、NS-1)T ……(31)
DR=(DRO、DR1、……、DR、NR-1)T ……(32)
ZSA=(ZSO、……、ZSlZS、NS-1)T……(33)
ZRA=(ZRO、ZR1、……、ZR、NR-1)T ……(34)
次に、本発明の実施例について説明する。第1
図は本発明の実施例の説明図である。図におい
て、1は音源情報の入力端子、2は受波器情報の
入力端子、3,4は前記音源/受波器情報を入力
し、指向性のサンプル値および等価直線配列の素
子位置を出力する補間器、5,6,12〜15,
19はレジスタ、7,8は指向性のサンプル値を
入力し、等価直線配列の各素子の重みを出力する
DFT回路、9は環境情報の入力端子、10は音
源深度、10は音源深度、受波深度、環境情報、
ノーマルモード番号を入力し、対応するノーマル
モード波の固有関数の音源、受波深度における
値、および固有値を算出する、ノーマルモード解
析装置、11はノーマルモード固有値を入力して
(29)式のベクトルHを算出する距離関数演算装
置、16,17はベクトル乗算器、18はスカラー
乗算器、20はスカラー・ベクトル乗算器、21は
カウンタ、22は累加器、23は出力端子である。 D S = (D SO , D S1 , ... D S , N S-1 ) T ... (31) D R = (D RO , D R1 , ..., D R , N R-1 ) T ... (32) Z SA = (Z SO , ..., Z Sl Z S , N S-1 ) T ... (33) Z RA = (Z RO , Z R1 , ..., Z R , N R-1 ) T ...(34) Next, examples of the present invention will be described. 1st
The figure is an explanatory diagram of an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is an input terminal for sound source information, 2 is an input terminal for receiver information, 3 and 4 are input terminals for the sound source/receiver information, and output sample values of directivity and equivalent linear array element positions. interpolator, 5, 6, 12-15,
19 is a register, 7 and 8 input directional sample values, and output the weight of each element of the equivalent linear array.
DFT circuit, 9 is an input terminal for environmental information, 10 is sound source depth, 10 is sound source depth, receiving depth, environmental information,
A normal mode analysis device inputs a normal mode number and calculates the values at the source, reception depth, and eigenvalue of the eigenfunction of the corresponding normal mode wave; 11 inputs the normal mode eigenvalue and calculates the vector of equation (29); A distance function calculation device for calculating H, 16 and 17 are vector multipliers, 18 is a scalar multiplier, 20 is a scalar vector multiplier, 21 is a counter, 22 is an adder, and 23 is an output terminal.
この装置の動作原理を説明する。まず、カウン
タ21には初期値n=1が、そして累加器22に
は初期値V=Oがセツトされる。入力端子1から
入力された音源情報は補間器3に送られる。補間
器3は前記音源情報から、空間周波数間隔ΔηSの
音源指向性サンプル・データDSを作り出し、
(16)、(17)式によつて等価直線配列音源の素子
間隔Δξおよび素子深度ベクトルZSAを計算する。
音源指向性サンプル・データDSはΔηS、ΔξSとと
もにDFT回路7に転送され、素子深度ベクトル
ZSAはレジスタ5に転送される。 The operating principle of this device will be explained. First, the counter 21 is set to an initial value n=1, and the accumulator 22 is set to an initial value V=O. Sound source information input from input terminal 1 is sent to interpolator 3. The interpolator 3 creates sound source directivity sample data D S with a spatial frequency interval Δη S from the sound source information,
The element spacing Δξ and element depth vector Z SA of the equivalent linear array sound source are calculated using equations (16) and (17).
The sound source directivity sample data D S is transferred to the DFT circuit 7 along with Δη S and Δξ S , and the element depth vector is
Z SA is transferred to register 5.
DFT回路5では、補間器3から転送されたデ
ータDS、ΔηS、ΔξSから前記等価直線配列音源の
重みベクトルWSを(14)式に従つて算出し、WS
をレジスタ12に転送する。 The DFT circuit 5 calculates the weight vector W S of the equivalent linear array sound source from the data D S , Δη S , Δξ S transferred from the interpolator 3 according to equation (14), and calculates the weight vector W S of the equivalent linear array sound source according to equation (14 ) .
is transferred to register 12.
一方、入力端子2から入力された受波器情報は
補間器4に送られる。補間器4は前記受波器情報
から、空間周波数間隔ΔηRの受波器指向性サンプ
ル・データDRを作り出し、さらに等価直線配列
受波器の素子間隔ΔξRおよび素子深度ZRAを計算
する。DRはΔηR、ΔξRとともにDFT回転8に転送
され、ZRAはレジスタ6に送られる。 On the other hand, receiver information input from the input terminal 2 is sent to the interpolator 4. The interpolator 4 generates receiver directivity sample data D R with a spatial frequency interval Δη R from the receiver information, and further calculates the element spacing Δξ R and element depth Z RA of the equivalent linear array receiver. . D R is transferred to DFT rotation 8 along with Δη R and Δξ R , and Z RA is sent to register 6.
入力端子9からは音速プロフアイル、風速、海
底特性等の環境情報が入力され、ノーマルモード
解析装置10に送られる。 Environmental information such as the sound speed profile, wind speed, seabed characteristics, etc. is inputted from the input terminal 9 and sent to the normal mode analysis device 10.
ノーマルモード解析装置10では、まずカウン
タ21からノーマルモード番号nを読み込む。カ
ウンタ21は初期値を1にセツトされ、累加器2
2からの制御信号によつて値を1ずつ増加させ
る。次に前記ノーマルモード番号nと前記環境情
報とから、ノーマルモード固有値koを求め、koを
距離関数演算装置11に転送する。また、レジス
タ5から前記配列音源素子の深度ZSAを読み込み、
各素子深度における固有関数の値を計算して音源
深度固有関数ベクトルUoS[(21)式]を形成しレ
ジスタ14に送る。さらにレジスタ6から前記配
列受波器素子の深度ZRAを読み込み、各素子深度
における固有関数の値を計算して受波深度固有関
数ベクトルUoR[(25)式]を形成し、レジスタ1
5に送る。 The normal mode analysis device 10 first reads the normal mode number n from the counter 21. The counter 21 has its initial value set to 1, and the accumulator 2
The value is increased by 1 by the control signal from 2. Next, a normal mode eigenvalue k o is determined from the normal mode number n and the environment information, and k o is transferred to the distance function calculation device 11 . Also, read the depth Z SA of the arrayed sound source element from the register 5,
The value of the eigenfunction at each element depth is calculated to form a sound source depth eigenfunction vector U oS [Equation (21)] and sent to the register 14. Furthermore, the depth Z RA of the array receiver element is read from register 6, the value of the eigenfunction at each element depth is calculated to form the receiving depth eigenfunction vector U oR [formula (25)], and
Send to 5.
距離関数演算装置11では、ノーマルモード解
析装置10から送られた前記ノーマルモード固有
値koから、予め設定された距離rj、J=0、1、
……、K−1における距離関数値iπHO (1)(korj)
を算出し、距離関数ベクトルHo[(29)式]を形
成してレジスタ19に格納する。 The distance function calculation device 11 calculates a preset distance r j , J=0, 1, from the normal mode eigenvalue k o sent from the normal mode analysis device 10.
..., distance function value iπH O (1) (k o r j ) at K−1
is calculated, and a distance function vector H o [formula (29)] is formed and stored in the register 19.
ベクトル乗算器16では、レジスタ12から前
記配列音源の重みベクトルWSを、そしてレジス
タ14から前記音源深度固有関数ベクトルUoSを
読み込み、音源関数値Sn=(UoS、W* S)を計算
して、スカラー乗算器18に転送する。 The vector multiplier 16 reads the weight vector W S of the arrayed sound source from the register 12 and the sound source depth eigenfunction vector U oS from the register 14, and calculates the sound source function value Sn=(U oS , W * S ). and transfers it to the scalar multiplier 18.
ベクトル乗算器17では、レジスタ13から前
記配列受波器の重みベクトルWRを、そしてレジ
スタ15から前記受波深度固有関数ベクトルUoR
を読み込み、受波器関数値Ro=(UoR、W* R)を
計算してスカラー乗算器18に転送する。 A vector multiplier 17 receives the weight vector W R of the array receiver from the register 13 and receives the reception depth eigenfunction vector U oR from the register 15.
is read, the receiver function value R o = (U oR , W * R ) is calculated and transferred to the scalar multiplier 18 .
スカラー乗算器18では、ベクトル乗算器16
から送られた前記音源関数値Soと前記受波器関数
値Roとの積Go[(27)式]を求め、スカラー・ベ
クトル乗算器20へ転送する。 In the scalar multiplier 18, the vector multiplier 16
The product G o [formula (27)] of the sound source function value S o sent from the source function value S o and the receiver function value R o is determined and transferred to the scalar vector multiplier 20 .
スカラー・ベクトル乗算器20では、スカラー
乗算器18から送られた前記Goとレジスタ19
に格納された距離関数ベクトルHoとの積voを算
出し、累加器22に送る。累加器22では、スカ
ラー・ベクトル乗算器20から送られた前記voを
Vに累加し、カウンタ21に制御信号を送る。 The scalar vector multiplier 20 uses the G o sent from the scalar multiplier 18 and the register 19
The product v o with the distance function vector H o stored in is calculated and sent to the accumulator 22 . The accumulator 22 accumulates the v o sent from the scalar vector multiplier 20 to V and sends a control signal to the counter 21 .
カウンタ21では累加器22から制御信号を受
けると前記モード番号nを1だけ増加させ、ノー
マルモード解析装置10に送る。 Upon receiving the control signal from the accumulator 22, the counter 21 increments the mode number n by 1 and sends it to the normal mode analysis device 10.
このようにして、ノーマルモード番号nについ
ての出力Vの累加が次々行われる。ノーマルモー
ド解析装置10は、前記ノーマルモード番号nま
たは、ノーマルモード固有値の虚数部In(ko)が
予め設定されたそれぞれの基準値を越えると実行
を停止する。 In this way, the output V for the normal mode number n is accumulated one after another. The normal mode analysis device 10 stops execution when the normal mode number n or the imaginary part I n (k o ) of the normal mode eigenvalue exceeds each preset reference value.
(発明の効果)
以上説明したように本発明の実施例では、指向
性を持つ音源/受波器と等価な鉛直指向性を持つ
配列音源/配列受波器を、その指向性の定義条件
(均質無限媒質)のもとで作り出しているので、
媒質の不均質、または定義条件との音速の不一致
による指向性の乱れを正しく評価することがで
き、また、ノーマルモード波に対する等価音線の概
念を必要としないため、水平軸に関して不対称な
場合を含めた任意の指向性に対して、その効果を
正確に評価することができるという利点がある。(Effects of the Invention) As explained above, in the embodiment of the present invention, an arrayed sound source/arrayed receiver having vertical directivity equivalent to a directional sound source/receiver is provided under the defining conditions of the directivity ( Since it is produced under a homogeneous infinite medium,
Disturbances in directivity due to inhomogeneity of the medium or discrepancy in sound speed with the defining conditions can be correctly evaluated, and the concept of an equivalent sound line for normal mode waves is not required, so it can be used in cases where the wave is asymmetric with respect to the horizontal axis. It has the advantage that the effect can be accurately evaluated for any directivity including .
また、受波出力をノーマルモード波に分解して
求め、(26)式のように個々のモードについて変
数分離の形を用いているので、従来のノーマルモ
ードモデルによる音波伝搬シミユレーシヨン方式
と類似の形の簡単な構成で装置を実現することが
できる。 In addition, since the received wave output is decomposed into normal mode waves and a form of variable separation is used for each mode as shown in equation (26), it is similar to the conventional sound wave propagation simulation method using a normal mode model. The device can be realized with a simple configuration.
本発明は指向性音源/受波器の指向性の効果
を、その指向性の定義条件と異なつた環境のもと
でも正しく評価できるという利点があるので、使
用環境条件の変化の大きい音響機器に対して有用
であり、海洋中で用いるソーナー等の運用現場で
の性能評価に利用することができる。 The present invention has the advantage of being able to correctly evaluate the directivity effect of a directional sound source/receiver even under environments different from the defining conditions of the directivity, so it is suitable for use with audio equipment whose usage environment conditions vary widely. It is useful for on-site performance evaluation of sonar equipment used in the ocean, etc.
第1図は本発明の実施例の説明図、第2図は円
筒座標による本発明の説明図、第3図は指向性と
直線音源との関係を示す図である。
1……音源情報入力端子、2……受波器情報入
力端子、3,4……補間器、5,6,12〜1
5,19……レジスタ、7,8……DFT回路、
9……環境情報入力端子、10……ノーマルモー
ド解析装置、11……距離関数演算装置、16,
17……ベクトル乗算器、18……スカラー乗算
器、20……スカラー・ベクトル乗算器、21…
…カウンタ、22……累加器、23……出力端
子。
FIG. 1 is an explanatory diagram of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram of the present invention using cylindrical coordinates, and FIG. 3 is a diagram showing the relationship between directivity and a linear sound source. 1...Sound source information input terminal, 2...Receiver information input terminal, 3, 4...Interpolator, 5, 6, 12-1
5, 19...Register, 7, 8...DFT circuit,
9...Environmental information input terminal, 10...Normal mode analysis device, 11...Distance function calculation device, 16,
17... Vector multiplier, 18... Scalar multiplier, 20... Scalar vector multiplier, 21...
... Counter, 22 ... Accumulator, 23 ... Output terminal.
Claims (1)
トする音波伝搬シミユレーシヨン方式において、
与えられた周波数および指向性音源/受波器の鉛
直指向性パターンに対して、該鉛直指向性パター
ンを持つ等価鉛直直線配列音源/受波器の各素子
の位置と重みを等価直線配列計算手段により算出
し、該周波数、および与えられた環境条件の下で
指定されたモード番号のノーマルモード固有値、
および該配列音源/受波器の各素子の深度での固
有関数値をノーマルモード解析手段により算出
し、該ノーマルモード固有値に対して、設定され
た複数個の距離におけるノーマルモード距離関数
を距離関数計算手段により計算し、深度関数計算
手段により該配列音源の各素子の重みと固有関数
値との積の累積和と該配列受波器の各素子の重み
と固有関数値との積の累積和とを計算すると共に
2つの累積和の積(深度関数と呼ぶことにする)
を求め、出力計算手段により該深度関数と該距離
関数との積を求め、その結果をすべてのノーマル
モードについて累積し、指向性音源による音場中
におかれた指向性受波器の出力を算出することを
特徴とする音波伝搬シミユレーシヨン方法。1 In a sound wave propagation simulation method that simulates the sound wave propagation phenomenon in a heterogeneous medium,
Equivalent linear array calculation means for calculating the position and weight of each element of an equivalent vertical linear array sound source/receiver having the vertical directivity pattern for a given frequency and vertical directivity pattern of the directional sound source/receiver. Calculated by the frequency and the normal mode eigenvalue of the specified mode number under the given environmental conditions,
The eigenfunction value at the depth of each element of the array sound source/receiver is calculated by normal mode analysis means, and the normal mode distance function at a plurality of set distances is calculated as a distance function for the normal mode eigenvalue. The depth function calculation means calculates the cumulative sum of the product of the weight of each element of the array sound source and the eigenfunction value, and the cumulative sum of the product of the weight of each element of the array receiver and the eigenfunction value. and the product of the two cumulative sums (referred to as the depth function)
is calculated, the product of the depth function and the distance function is calculated using the output calculation means, the results are accumulated for all normal modes, and the output of the directional receiver placed in the sound field due to the directional sound source is calculated. A sound wave propagation simulation method characterized by calculating.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58068348A JPS59195173A (en) | 1983-04-20 | 1983-04-20 | Simulating method of acoustic wave propagation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58068348A JPS59195173A (en) | 1983-04-20 | 1983-04-20 | Simulating method of acoustic wave propagation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59195173A JPS59195173A (en) | 1984-11-06 |
| JPH0129429B2 true JPH0129429B2 (en) | 1989-06-09 |
Family
ID=13371231
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58068348A Granted JPS59195173A (en) | 1983-04-20 | 1983-04-20 | Simulating method of acoustic wave propagation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59195173A (en) |
-
1983
- 1983-04-20 JP JP58068348A patent/JPS59195173A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59195173A (en) | 1984-11-06 |
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