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JPH0129430B2 - - Google Patents
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JPH0129430B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0129430B2
JPH0129430B2 JP58068349A JP6834983A JPH0129430B2 JP H0129430 B2 JPH0129430 B2 JP H0129430B2 JP 58068349 A JP58068349 A JP 58068349A JP 6834983 A JP6834983 A JP 6834983A JP H0129430 B2 JPH0129430 B2 JP H0129430B2
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JP
Japan
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sound
sound source
receiver
wave propagation
directional
Prior art date
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Application number
JP58068349A
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Japanese (ja)
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JPS59195174A (en
Inventor
Hisayasu Ootsubo
Shunji Ozaki
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Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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Publication date
Application filed by Oki Electric Industry Co Ltd filed Critical Oki Electric Industry Co Ltd
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Publication of JPH0129430B2 publication Critical patent/JPH0129430B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S15/00Systems 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法に関し、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法に関
し、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
ミユレーシヨン方法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 underwater sound wave propagation characteristics, and in particular, to a sound wave propagation simulation method for analyzing sound wave propagation characteristics in water. Regarding the simulation method for determining the received wave output when a wave receiver is placed and receives sound waves, especially when the sound source and receiver are directional,
The present invention provides a simulation method that can accurately represent the directivity effect.

(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
性を把持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 emitted from a sound source are expressed as a superposition of cylindrical traveling waves (this is called a normal mode wave) that forms a standing wave 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
音源より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 from a point sound 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) where ▽ 2 is the Laplace operator, r→ is the coordinate of the receiving point, r→ S is the coordinate of the sound source, φ(r→)exp(−i2πft) is the 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. Hereinafter, for the sake of simplicity, φ(r→), which is the complex amplitude of sound pressure, will be simply referred to as 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)の解はZ軸に対して対称となる。
そこで、以降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)J0(kr)kdk(2) で表わされる。ここでJ0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 ), the solution to equation (1) becomes symmetrical with respect to the Z axis.
Therefore, from now on, we will consider 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 0 (k r ) kdk(2) expressed. Here, J 0 is a zero-order Betzel function. In addition, G is a Green's function, and the following equation (3) for Z and the boundary condition (sound pressure and vertical particle velocity are continuous at the interface between the sea surface and the zero sound pressure layer at infinite depth) be satisfied. Further, k is a complex number on the 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。
d 2 G/dZ 2 + [k 2 (Z)−k 2 ]G=−δ(Z−Z S ) (3) The normal mode solution is obtained by applying the residue theorem to equation (2), and the normal mode It is expressed by the cumulative sum of waves and some branch line integrals as follows.

φ(r、Z)=πi 〓n H0 (1)(kor)Uo(Z)Uo(ZS) +∫BLG(Z・ZS;k)H0 (1)(kr)kdk (4) ここでnはモード番号、H0 (1)は0次の第1種
ハ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[P(Z)/P(ZS)]Uo(Z)Un(Z)dZ=δo
n

(6) ここでP(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 0 (1) (k o r) U o (Z) U o (Z S ) +∫ BL G (Z・Z S ;k) H 0 (1) (kr ) kdk (4) where n is the mode number and H 0 (1) represents the zero-order Hankel 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 equation 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 [P(Z)/P(Z S )]U o (Z)U n (Z)dZ=δ o
n

(6) Here, P(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 along the branch line of G on the complex plane of complex number k. 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 represented only by the discrete normal mode waves of equation (7) below.

P(r、ZR、ZS;f)=iπn=1 Uo(ZS)Uo(ZR)H0 (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 0 (1) (k o r) (7) If the sound source or receiver For directional cases,
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)H0 (1)(ko
)(8) ここでDS(θ)、DR(θ)はそれぞれ音源、受波
器の鉛直指向性係数であり、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 SoS )D RoR )U o (Z S )U o (Z R )H 0 (1) ( k o r
)(8) Here, D S (θ) and D R (θ) are the vertical directivity coefficients of the sound source and the 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 )](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
源指向性係数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 a sound source, the sound source directivity coefficient D SoS ) corresponding to the depression angle θ oS at the sound source depth of the equivalent sound ray is radiates with weight,
Receiving directivity D RoR ) corresponding to the depression angle θ oR at the receiving depth of the equivalent sound ray when the wave is 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 sound line and arrives at the receiving point from the direction along the equivalent sound 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、前記の仮定は成立しない。
(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, in the actual ocean,
Since the medium is inhomogeneous, the above-mentioned directivity cannot be strictly achieved and will have 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、音源から+θoS方向に放射されるもの
と、−θoS方向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 source 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 about the received wave directivity D R (θ). Therefore, in the conventional method, it is not possible to evaluate the effect of directivity that is asymmetric with respect to θ=0, such as when the main axis of the directivity pattern has an angle of depression.

(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線配列音源および鉛直
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。
(Problem to be solved by the invention) In order to eliminate these drawbacks, the present invention provides a vertical linear array sound source and a vertical linear array receiver having vertical directivity equivalent to the directional sound source and the directional receiver, respectively. 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 of the elements, 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C0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、ζ軸
を鉛直下向きにとつたデカルト座標系x−ζ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WS(ζ)とすると、DS
(θ)とWS(ζ)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 0 . Consider a Cartesian coordinate system x-ζ with the sound source position as the origin and the ζ 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 (ζ), then D S
The following relationship holds true between (θ) and W S (ζ).

DS(θ)=∫ -∞WS(ζ)exp(i2πf/C0ζsinθ)
αζ(10) ここで η=f/C0sinθ (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、WS(ζ)は次のフーリエ変換により与え
られる。
D S (θ)=∫ -∞ W S (ζ)exp(i2πf/C 0 ζsinθ)
αζ(10) Here, by replacing η=f/C 0 sinθ (11), equation (10) becomes an inverse Fourier transform, and W S (ζ) is given by the following Fourier transform.

WS(ζ)=∫ -∞D[θ(η)]exp(−i2πηζ)α
η(12) θ(η)=sin-1(C0η/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 (ζ)=∫ -∞ D[θ(η)]exp(−i2πηζ)α
η(12) θ(η)=sin -1 (C 0 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(−i2πηS0ζSlNS-1 〓 〓m=0 ESnexp(−i2πlm/NS)、l=0、1、2、…、NS
−1(14) ここで ESnexp(−i2πmζS0ΔηS)、DSn=DS[θ(ηS
n
)](15) ζSl=ζS0+lΔζS、ηSn=ηS0+mΔηS、Δζ
S・ΔηS=1/NS(16) であり、ζSl、ηSnはそれぞれζ、ηのサンプル値、
ΔζS、ΔηSはζ、ηのサンブル間隔、NSはサンプ
ル点数を表わす。
W Sl =1/N S exp(-i2πη S0 ζ Sl ) NS-1 〓 〓 m=0 E Sn exp(-i2πlm/N S ), l=0, 1, 2,..., N S
−1(14) where E Sn exp(−i2πmζ S0 Δη S ), D Sn =D S [θ(η S
n
) ] (15) ζ SlS0 +lΔζ S , η SnS0 +mΔη S , Δζ
S・Δη S = 1/N S (16) where ζ Sl and η Sn are the sample values of ζ and η, respectively.
Δζ S and Δη S represent sampling intervals of ζ 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NSlは、 NSl=ZS+ζSl=ZS+ζS0+lΔζS (17) となる。
Since the depth of the center of the sound source underwater is Z S , the depth N Sl of each element of the vertically arranged sound source is N Sl =Z SSl =Z SS0 +lΔζ 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NRp
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. N Rp for each,
W Rp , p=0, 1, ..., N R -1, (15)
Sample data of received wave directivity corresponding to E Sn and D Sn in the equation are E Rq , D Rq , q=0, 1,..., N R
Set to 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。点(0、0、
ZSl)におかれた重み1の無指向性点音源による、
点(r、0、ZRp)における音圧をΨPlとする。こ
れは該2点間の伝搬の伝達関数である。関数Pl
ノーマルモード理論、音線理論等、様々な理論モ
デルで導出が可能である。例としてノーマルモー
ド波の重畳として表現すると、次式のようにな
る。たゞし本発明は一般的音場の強さの計算に適
用でき、ノーマルモードに限定されるものではな
い。
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. Point (0, 0,
Z Sl ) by an omnidirectional point source with a weight of 1,
Let the sound pressure at the point (r, 0, Z Rp ) be Ψ Pl . This is the transfer function of propagation between the two points. The function Pl can be derived using various theoretical models such as normal mode theory and sound ray theory. For example, when expressed as a superposition of normal mode waves, the following equation is obtained. However, the present invention can be applied to general sound field strength calculations and is not limited to normal mode.

ΨPl(r、ZRp、ZSl;f)=iπn=0 Uo(ZSl)Un(ZRp)H0 (1)(knr) (18) 前記等価配列音源による点(r、0、ZRp)の
位置での音圧はΨPlに音源素子の重みを乗じ、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 Pl (r, Z Rp , Z Sl ; f) = iπ n=0 U o (Z Sl ) Un (Z Rp ) H 0 (1) (knr) (18) Point (r , 0, Z Rp ) can be obtained by multiplying Ψ Pl by the weight of the sound source element and superimposing the result with respect to l, as follows.

Pp(r)=ΨT pWS * (19) (*は共役複素数を意味する符号、以下同様) ここで WS=(WS0、WS1、…、WS,NS-1T (20) ψp=(ψp0、ψp1、…、ψp,NS-1T (21) である。ここで P(r)=[P0(r)、P1(r)、…、PNR-1(r)]T
(22) Ψ(r)=(ψ0、ψ1、…、ψNR-1T (23) を定義すると、(19)式は次のように表わすこと
ができる。
P p (r)=Ψ T p W S * (19) (* is a sign that means a conjugate complex number, the same applies hereafter) Here, W S = (W S0 , W S1 , ..., W S,NS-1 ) T (20) ψ p = (ψ p0 , ψ p1 , ..., ψ p,NS-1 ) T (21). Here P(r) = [P 0 (r), P 1 (r), ..., P NR-1 (r)] T
(22) Ψ(r)=(ψ 0 , ψ 1 , ..., ψ NR-1 ) T (23) When defined, equation (19) can be expressed as follows.

P(r)=Ψ(r)WS (24) 前記等価直線配列受波器の受波出力は(19)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る。ベクト
ル表現 WR=(WR0、WR1、…、WR,NR-1T (25) を用いて表わすと受波出力V(r)は、 V(r)=PT(r)・WR * (26) となる。
P(r)=Ψ(r)W S (24) The received wave output of the equivalent linear array receiver is calculated by multiplying equation (19) by the weight W Rp of the wave receiving element, and applying the result for all wave receiving elements. Obtained by superimposing. Expressed using the vector expression W R = (W R0 , W R1 ,..., W R,NR-1 ) T (25), the received wave output V(r) is V(r) = P T (r)・W R * (26).

サンプル距離r0、r1、…、rK-1についてV(r)
の値を求めることにし、 V=[V(r0)、V(r1)、…、V(rK-1)](27) P=[P(r0)、P(r1)、…、P(rK-1)]T(28
) と表わすと、(26)式は、 V=PWR (29) と書き改めれる。
V(r) for sample distances r 0 , r 1 , ..., r K-1
To find the value of ..., P(r K-1 )] T (28
), equation (26) can be rewritten as V=PW R (29).

以下、簡単のため、次の量もベクトル表現を用
いる。
Hereinafter, for simplicity, vector representation will be used for the following quantities.

DS=(DS0、DS1、…、DS,NS-1T (30) DR=(DR0、DR1、…、DR,NR-1T (31) ZSA=(ZS0、ZS1、…、ZS,NS-1T (32) ZRA=(ZR0、ZR1、…、ZR,NR-1T (33) 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(音源深度、指向性)、
2は受波器情報の入力端子(受波深度、指向性)、
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離
散的フーリエ変換器、7,8,12はレジスタ、
9は環境情報の入力端子、10は音源深度、受波
深度、環境情報を入力し、各サンプル距離に対
し、音源−受波器位置間の音波の伝達関数を出力
する音波伝搬解析装置、11,13は行列とベク
トルとの積を算出する行列・ベクトル乗算器、1
4は受波器出力の出力端子である。
D S = (D S0 , D S1 ,…, D S,NS-1 ) T (30) D R = (D R0 , D R1 ,…, D R,NR-1 ) T (31) Z SA = ( Z S0 , Z S1 , ..., Z S,NS-1 ) T (32) Z RA = (Z R0 , Z R1 , ..., Z R,NR-1 ) T (33) Next, regarding the embodiments of the present invention explain. FIG. 1 is an explanatory diagram of an embodiment of the present invention. In the figure,
1 is the input terminal for sound source information (sound source depth, directivity),
2 is an input terminal for receiver information (wave reception depth, directivity),
3 and 4 are interpolators that input the sound source/receiver information and output the directional sample values and the element positions of the equivalent linear array; 5 and 6 input the directional sample values and output the element positions of the equivalent linear array; a discrete Fourier transformer that outputs the weight of each element; 7, 8, and 12 are registers;
Reference numeral 9 indicates an input terminal for environmental information; 10 indicates a sound wave propagation analyzer which inputs the sound source depth, receiving depth, and environment information, and outputs the transfer function of the sound wave between the sound source and the receiver position for each sample distance; 11 , 13 is a matrix/vector multiplier that calculates the product of a matrix and a vector, 1
4 is an output terminal of the receiver output.

この装置の動作原理を説明する。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Δζおよび素子深度ZSAを計算する。音源指向
性サンプル・データDSはΔηS、ΔζSとともにDFT
回路5に転送され、素子深度ZSAは音波伝搬解析
装置10に転送される。DFT回路5では、補間
器3から転送されたDS、ΔηS、ΔζS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
い算出し、それをレジスタ7に転送する。
The operating principle of this device will be explained. Sound source information input from input terminal 1 is sent to interpolator 3.
The interpolator 3 calculates the spatial frequency interval Δη S from the sound source information.
Create sound source directional sample data D S ,
The element spacing Δζ and element depth 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 DFTed with Δη S and Δζ S
The element depth Z SA is transferred to the circuit 5 , and the element depth Z SA is transferred to the sound wave propagation analysis device 10 . The DFT circuit 5 calculates the weight vector W S of the equivalent linear array sound source from the D S , Δη S , and Δζ S transferred from the interpolator 3 according to equation (14), and transfers it to the register 7 .

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ΔζRおよび素子深度ZRA
計算する。DRはΔηR、ΔζRとともにDFT回路6に
転送され、ZRAは前記音波伝搬解析装置10に転
送される。DFT回路6は補間器4から送られて
きた、前記受波指向性サンプル・データDR、空
間周波数間隔ΔηR、および素子間隔ΔζRから、前
記等価直線配列受波器の重みベクトルWRを算出
し、レジスタ8に転送する。入力端子9からは音
速プロフアイル、風速、海底特等の環境情報が入
力され、音波伝搬装置10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 Δζ R and element depth Z RA of the equivalent linear array receiver. . D R is transferred to the DFT circuit 6 along with Δη R and Δζ R , and Z RA is transferred to the sound wave propagation analysis device 10. The DFT circuit 6 calculates the weight vector W R of the equivalent linear array receiver from the receiving directivity sample data D R , the spatial frequency interval Δη R , and the element interval Δζ R sent from the interpolator 4. Calculate and transfer to register 8. Environmental information such as a sound speed profile, wind speed, seabed characteristics, etc. is inputted from the input terminal 9 and sent to the sound wave propagation device 10.

音波伝搬解析装置10では、入力端子9から入
力された環境情報に基づき、ある定められた距離
rj、j=0、1、…、K−1の各値について、前
記配列音源の深度ベクトルZSAのl番目の要素ZSl
の深度に重み1の無指向性点音源をおいたとき
に、前記配列受波器の深度ベクトルZRAのp番目
の要素ZRpの深度に生じる音圧ψplを(18)式によ
り求め、ψplをp−l要素とする伝達関数行列Ψ
(rj)[(23)式]を形成する。Ψ(rj)は行列・ベ
クトル乗算器11jに転送される。
In the sound wave propagation analysis device 10, based on the environmental information input from the input terminal 9,
For each value of r j , j=0, 1, ..., K-1, the l-th element Z Sl of the depth vector Z SA of the array sound source
When an omnidirectional point sound source with a weight of 1 is placed at a depth of Transfer function matrix Ψ with ψ pl as p−l element
(r j ) [Equation (23)] is formed. Ψ(r j ) is transferred to the matrix/vector multiplier 11 j .

行列・ベクトル乗算器11jでは、音波伝搬解
析装置10から転送された伝達関数行列Ψ(rj
に、レジスタ7から取り出した前記配列音源の重
みベクトルWSを乗じ、音圧ベクトルP(rj
[(24)式]を算出して、レジスタ12に転送す
る。
The matrix/vector multiplier 11 j uses the transfer function matrix Ψ(r j ) transferred from the sound wave propagation analysis device 10.
is multiplied by the weight vector W S of the arrayed sound source taken out from the register 7, and the sound pressure vector P (r j ) is obtained.
[Equation (24)] is calculated and transferred to the register 12.

レジスタ12では、行列・ベクトル乗算器群1
1から転送された音圧ベクトルP(rj)、j=0、
1、…、K−1を順序よく格納し、ベクトルP
(rj)のp番目の要素をi−p要素とする音圧行
列Pを形成する。行列Pが形成されると、レジス
タ12はPを行列・ベクトル乗算器13に送出す
る。
In register 12, matrix/vector multiplier group 1
Sound pressure vector P(r j ) transferred from 1, j=0,
1,...,K-1 in order, vector P
A sound pressure matrix P is formed in which the p-th element of (r j ) is the i-p element. Once matrix P is formed, register 12 sends P to matrix-vector multiplier 13.

行列・ベクトル乗算器ではレジスタ12から転
送された前記音圧行列Pに、レジスタ8から取出
し前記配列受波器の重みベクトルWRを乗じ、受
波器出力ベクトルVを算出して出力端子14から
出力する。
In the matrix/vector multiplier, the sound pressure matrix P transferred from the register 12 is multiplied by the weight vector W R of the array receiver taken out from the register 8 to calculate the receiver output vector V, which is output from the output terminal 14. Output.

(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
等による指向性の乱れを正しく評価することがで
き、また、音波伝搬モデルとしてノーマルモー
ド・モデルを用いた場合でも、等価音線の概念を
必要とせず、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,
It is possible to correctly evaluate directivity disturbances due to inhomogeneity of the medium or discrepancy in sound speed with the definition conditions, and even when using a normal mode model as a sound wave propagation model, the concept of equivalent sound rays is required. The advantage is that the effect can be accurately evaluated for any directivity, including cases where the directivity is asymmetrical with respect to the horizontal axis.

また、配列音源の個々の素子による音場を配列
受波器の個々の素子によつて受波した場合の出力
を、すべての音源素子、すべての受波素子につい
て累加することにより、指向性音源による音場中
におかれた指向性受波器の受波出力を算出してい
るので、音波伝搬モデルとして任意の理論による
モデルを適用することができる。
In addition, by cumulatively adding up the output when the sound field from each element of the array sound source is received by each element of the array receiver for all sound source elements and all receiver elements, directional sound source Since the received wave output of a directional receiver placed in a sound field is calculated by , any theoretical model can be applied as a sound wave propagation model.

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
用環境条件が大きく変化する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 that the directivity effect of a directional sound source/receiver can be accurately evaluated even under environments different from the conditions that define the directivity, so it is suitable for audio equipment whose usage environmental conditions vary widely. It is useful for on-site performance evaluation of sonar equipment used in the ocean, etc.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

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……DFT回
路、7,8……レジスタ、9……環境情報入力端
子、10……音波伝搬解析装置、111,…,1
K,13……行列・ベクトル乗算器、14……
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... DFT circuit, 7, 8... Register, 9... Environment information input terminal, 10 ...Sound wave propagation analysis device, 11 1 ,...,1
1 K , 13...matrix/vector multiplier, 14...
Output terminal.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 不均質な媒質中の音波伝搬現象をシミユレー
トする音波伝搬シミユレーシヨン方法において、
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、ある設定された複数個の音源−受波器間距離
について、該配列音源素子と該配列受波器素子の
すべての組合せに対する伝達関数を音波伝搬解析
手段により与えられた環境条件の下で算出し、出
力計算手段により各々の該音源−受波器間距離に
ついて、該受波素子の深度ごとに該伝達関数をす
べての該音源素子についてその重みを乗じて加算
し、その結果をさらにすべての該受波素子につい
てその重みを乗じて加算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. For a set plurality of sound source-receiver distances, the transfer functions for all combinations of the arrayed sound source elements and the arrayed receiver elements are calculated based on the environmental conditions given by the sound wave propagation analysis means. For each sound source-receiver distance, the output calculation means multiplies the transfer function for each depth of the receiving element by its weight and adds the result. A sound wave propagation simulation method characterized in that the output of a directional receiver placed in a sound field caused by a directional sound source is calculated by further multiplying and adding the weights of all the receiver elements.
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