聲學所提出基于次聲射線傳播模型的次聲源高度定位算法

科研信息網 劉洋 2019-10-11 17:42:13
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  次聲波是頻率在20Hz以下的聲波,它頻率低、傳播衰減小,傳播距離可達幾百甚至上千公里。很多自然和人為事件都可以產生次聲波,例如地震、海嘯、火山爆發等自然災害以及高鐵運行、火箭發射等。根據探測到的次聲波,人們可以對不同事件進行分析,獲取事件發生的位置、性質等,是一種監測自然災害等事件發生和發展的有效方法。但是,由于次聲波受環境影響較大,對次聲波源的定位及定性分析會出現較大的誤差。為了減少這種誤差,在次聲信號分析時須考慮次聲波傳播的影響。

  基于球坐標的三維哈密頓軌跡追蹤方法,中國科學院聲學研究所噪聲與振動重點實驗室的滕鵬曉、呂君等人提出一種基于次聲射線傳播模型的次聲源高度定位算法,建立了一個次聲傳播軌跡反演的理論模型,可以減小次聲源的定位誤差。相關研究成果628日在線發表于國際學術期刊The Journal of the Acoustical Society of America

  研究人員首先使用MSISE00模型和HWM93模型獲取北京地區夏季和冬季不同高度處的有效聲速,然后用傳統的模型模擬位于北京的次聲源發出的次聲傳播路徑,用以校驗反演模型,最后進行實驗驗證,理論定位得出的高度與真實值非常近似,從而證明了傳播軌跡反演算法的可行性。

  研究人員基于兩項關鍵技術提出該模型:一是射線追蹤數值模型的建立,二是基于HARPA(Hamiltonian Acoustic Ray-tracing Program for the Atmosphere)模型的傳播軌跡反演算法。HARPA是一個全三維射線模型,通過接入大氣風和溫度的連續三點作為次聲源,并將事件發生時風場模型中的風速矢量反向作為模型中的風場模型,從而反演得到次聲源的高度。

  研究人員利用該算法驗證了2014115日發生在內蒙古自治區錫林郭勒盟的流星事件,與美國NASA公布的結果相比,計算得到的流星爆炸高度相對誤差為25.53%,位置經緯度計算誤差為0.25o。比傳統定位算法計算誤差小。

  論文鏈接

HARPA模型得出的次聲源高度為0,頻率為0.1Hz,時間為夏季的聲線路徑(圖/中科院聲學所)

傳播軌跡反演算法得出的流星爆炸位置(圖/中科院聲學所)