Acoustics Toolbox水声建模工具箱使用教程

Acoustics Toolbox 总体概览

这个工具箱由水声学家 Michael B. Porter 开发，是水声传播建模领域最经典的开源工具包之一。它本质上是频域求解器 ------给定频率和环境参数，算出空间中每一点的复声压。所有模型共享统一的 .env 环境文件格式，输出统一格式的声场文件，方便交叉验证。

运行模式有两套：

• 纯 MATLAB 实现 （以 M 结尾的函数，如 bellhopM）：不需要任何编译，直接用
• Fortran 可执行文件 （如 bellhop）：需要先用 gfortran + make 编译

包含的模型（8个）

模型	物理方法	维度	适用频率	独特能力
BELLHOP	射线追踪 + 高斯波束	2D	中高频 (>100Hz)	最快最直观，物理图像清晰
BELLHOP3D	三维波束追踪	3D	中高频	唯一能处理3D海底地形
KRAKEN	简正波（实数）	2D	低频 (<500Hz)	物理意义最清晰，模态分解
KRAKENC	复简正波	2D	低频+衰减	可处理泄漏模态和海底衰减
KRAKEL	弹性简正波	2D	低频+弹性	唯一能处理海底剪切波(S波)
SCOOTER	有限元FFP	2D	全频段	精度最高（距离无关环境）
SPARC	时域FFP	2D	宽带脉冲	唯一能输出时间波形
BOUNCE	反射系数	1D	辅助工具	为其他模型提供反射系数表

输入数据

全部是合成的理想化测试数据，不是实测数据。但它们是按照经典海洋声学场景构建的，具有物理代表性。具体情况如下：

• 声速剖面 ：用的是经典的 Munk 剖面（一个深度相关的解析表达式，代表了中纬度深海典型的声道特征），在 .env 文件里以离散采样点的形式给出。也有等声速、负梯度、表面声道等其它理想化剖面。
• 海底地形 ：.bty 文件里是解析构造的几何形状------平坦底、楔形底、海山（用高斯函数/三角函数生成的）、抛物面海底等。3D 案例里的地形也是数学表达式生成的。
• 3D Atlantic 案例 ：这个特殊，用了真实大西洋的水深数据和声速数据（文件名如 lanta36.env 等），这是测试集中为数不多的真实数据案例。
• 海底参数：声速、密度、衰减系数等都是典型值（如底质声速 1600 m/s，密度 1.8 g/cm³），并非某个特定海域的实测。
• 声源：都是假想的单频点源或脉冲源，深度和频率可以任意指定。

总结：绝大部分是标准验证案例的合成数据，用于验证模型算法正确性和交叉比对。这在计算声学中是常规做法。

核心输入机制：.env 文件

所有模型的输入都是 .env 文本文件（文件名作为运行参数，不带扩展名）。这个文件定义了整个声传播环境------水深、声速剖面、海底参数、声源/接收器配置等。可选辅助文件（.bty 海底地形、.ssp 二维声速场、.trc/.brc 反射系数表、.sbp 声源指向性）通过相同根文件名自动关联。

以 MunkB_ray.env 为例，逐行看：

'Munk profile'          ← (1) 标题
50.0                    ← (2) 频率 50 Hz
1                       ← (3) 介质层数（BELLHOP固定为1）
'PVF'                   ← (4) 选项码：P=PCHIP插值，V=真空海面，F=表格化反射系数
51  0.0  5000.0         ← (5) 声速剖面：51个点，水深0~5000m
   0.0  1548.52  /      ←     深度  声速（Munk剖面的离散采样）
  200.0  1530.29  /
  ...                   ←     '/' 表示等间隔自动生成中间值
 5000.0  1551.91  /
'A' 0.0                 ← (6) 海底类型 A=声学半空间，粗糙度0
 5000.0  1600.00 0.0 1.0 /  ← 海底深度 声速 密度 衰减
2                       ← (7) 2个声源深度
1000.0 4000 /           ←     25m 和 250m
51                      ← (8) 51个接收器深度
0.0 5000.0 /            ←     0~5000m 均匀分布
1001                    ← (9) 1001个距离点
0.0  100.0 /            ←     0~100 km
'R'                     ← (10) 运行类型：R=射线追踪
41                      ← (11) 41条波束
-20.0 20.0 /            ←      出射角 ±20°
0.0  5500.0 101.0       ← (12) 积分步长0m，深度盒子5500m，距离盒子101km

选项字符串含义（各模型略有不同）：

位置	含义	常用值
第1位	SSP插值	C=C-线性, N=N²-线性, P=PCHIP, S=样条, A=解析
第2位	海面边界	V=真空(压力释放), R=刚性
第3位	谱类型(KRAKEN/SCOOTER)	W=波数谱, I=相速度谱
第4位	底部边界	F=表格化反射系数, B=半空间, E=弹性

各模型详细运行方式

1. BELLHOP --- 射线/高斯波束追踪

原理：把声波看成射线，按 Snell 定律在海水中弯曲传播。高斯波束法给每根射线附带一个能量分布（像手电筒光斑），解决经典射线在焦散处的奇异性。

运行类型 （.env 第10行）：

• R = 射线追踪（画出射线轨迹）
• C = 相干声场（相干叠加，彩色TL图）
• I = 非相干声场（能量相加，无干涉条纹）
• S = 半相干
• A = 到达结构（到达时间-幅度-角度）
• E = 本征射线（寻找连接声源-接收器的特定射线）

运行方式：

run('E:\水声项目\Acoustics-Toolbox-main\at_init_matlab.m')
cd('E:\水声项目\Acoustics-Toolbox-main\tests\Munk')

bellhopM('MunkB_ray')     % 纯MATLAB，射线追踪 + 自动画图
bellhopM('MunkB_Coh')     % 相干声场 + 自动画TL图
bellhopM('MunkB_Arr')     % 到达结构

输出 ：.shd.mat（声压场）、.arr.mat（到达结构）、.ray（射线轨迹）、.prt（打印输出）

关键源码：

• Fortran: Bellhop/bellhop.f90（主程序）
• MATLAB: Matlab/Bellhop/bellhopM.m（主入口），Matlab/Bellhop/trace.m（射线追踪核心），Matlab/Bellhop/step.m（积分步进）

2. BELLHOP3D --- 三维波束追踪

原理：BELLHOP 的三维版本，声线在三个方向上弯曲，出射角变为两个维度（方位角 + 俯仰角）。Nx2D 模式是折中方案------沿多个方位角跑 2D 计算再拼接。

运行方式：

cd('E:\水声项目\Acoustics-Toolbox-main\tests\Bellhop3DTests\Seamount')
bellhop3d('Seamount3DHatcart')   % 调用Fortran可执行文件

测试场景：海山 (Seamount)、双海山 (DoubleSeamount)、楔形波导 (Wedge)、台湾海域 (Taiwan)、Weymouth、Munk 3D 等。

3. KRAKEN --- 简正波模型

原理 ：把声场分解为模态（深度方向的驻波 × 水平方向的行波）的叠加。低频时模态少（几个），高频时成百上千。两步工作流。

KRAKEN vs KRAKENC：KRAKEN 用实数运算，快但不能处理海底衰减；KRAKENC 用复数运算，能处理衰减和泄漏模态（声能向海底辐射出去的模式）。

输入 ：.env 的格式与 BELLHOP 不同------SSP 数据多了剪切波速、密度、压缩衰减、剪切衰减列；底部多了相速度范围 CLOW, CHIGH（控制计算哪些模态）。

运行方式：

cd('E:\水声项目\Acoustics-Toolbox-main\tests\Munk')

krakenM('MunkK')          % 步骤1：计算模态 → 生成 .mod 文件
field('MunkK')            % 步骤2：模态叠加 → 生成 .shd.mat
plotshd('MunkK')          % 可视化

% 泄漏模态
cd('E:\水声项目\Acoustics-Toolbox-main\tests\MunkLeaky')
krakencM('MunkKleaky')
field('MunkKleaky')

FIELD 的 .flp 文件 （如 MunkK.flp）：

'RA'                 ← 选项：R=距离坐标，A=绝热近似
9999                 ← 使用的模态数（9999=全部）
1                    ← 模态剖面个数
0.0 100.0 /          ← 剖面位置
1001                 ← 距离点数
0.0 100.0 /          ← 距离范围 (km)
1                    ← 声源深度数
1000.0 /             ← 声源深度
501                  ← 接收器深度数
0.0 5000.0 /         ← 深度范围 (m)

关键源码：

• Fortran: Kraken/kraken.f90, Kraken/krakenc.f90
• MATLAB: Matlab/Kraken/krakenM.m, Matlab/Kraken/field.m

4. KRAKEL --- 弹性简正波

原理：KRAKEN 的扩展，海底同时处理压缩波(P波)和剪切波(S波)，能模拟 Scholte 波。输入格式和 KRAKEN 一样，但在 SSP 中需要非零剪切波速。

krakelM('MunkShear')
field('MunkShear')

5. SCOOTER --- 有限元 FFP

原理 ：用有限元法直接计算波数积分（FFP=Fast Field Program）。物理上等价于把声源分解为无数平面波求和，每列平面波在深度方向用有限元解一次 Helmholtz 方程，再对波数积分。在同类型模型中精度最高。但假设环境只随深度变化（距离无关），不能处理海底地形变化。

cd('E:\水声项目\Acoustics-Toolbox-main\tests\Munk')
scooterM('MunkS')        % 步骤1：计算Green's函数 → .grn 文件
fields('MunkS')          % 步骤2：波数积分 → .shd.mat
plotshd('MunkS')

关键源码 ：Scooter/scooter.f90，Matlab/Scooter/scooterM.m

6. SPARC --- 时域 FFP

原理 ：SCOOTER 的时域版本。在每个时刻推进波数积分，得到时间-空间的声压场，可以模拟脉冲传播------看到信号分离为不同到达、波形展宽、色散等时域现象。需要额外的 .sts（声源时间序列）文件。

cd('E:\水声项目\Acoustics-Toolbox-main\tests\MunkTS')
sparc('MunkTS')
fields('MunkTS')

7. BOUNCE --- 反射系数计算

辅助工具，计算分层介质海底/海面的反射系数，输出 .brc/.trc 供其他模型用。

bounce('MyBottom')

测试用例目录结构

tests/ 下有 30+ 个测试场景，按物理场景分类：

目录	场景	推荐首试
tests/Munk/	经典 Munk 声道（最主要的测试集）	bellhopM('MunkB_ray')
tests/free/	自由场（最简单，无限均匀介质）	bellhopM('freePointB')
tests/PekerisRD/	Pekeris 波导（距离相关）	krakenM('pekerisK')
tests/MunkLeaky/	泄漏模态	krakencM('MunkKleaky')
tests/arctic/	北极半声道环境	bellhopM('arcticB')
tests/BroadBand/	宽带（多频率）
tests/Noise/	环境噪声场
tests/MunkTS/	时域 SPARC
tests/Bellhop3DTests/	3D 波束追踪（海山/楔形/台湾等）
tests/wedge/	楔形波导（经典基准问题）
tests/calib/	校准/基准对比
tests/3DAtlantic/	真实大西洋数据（含真实水深和SSP）
tests/sduct/	表面声道
tests/head/	头部波
tests/Dickins/	Dickins 海山
tests/Gulf/	墨西哥湾

运行通用流程

% 第1步：初始化路径（每次打开 MATLAB 跑一次）
run('E:\水声项目\Acoustics-Toolbox-main\at_init_matlab.m')

% 第2步：进入 .env 文件所在目录（关键！容易忘）
cd('E:\水声项目\Acoustics-Toolbox-main\tests\Munk')

% 第3步：运行模型
bellhopM('MunkB_ray')      % BELLHOP 射线追踪
bellhopM('MunkB_Coh')      % BELLHOP 相干声场 TL
krakenM('MunkK')           % KRAKEN 模态计算
field('MunkK')             % 模态叠加
scooterM('MunkS')          % SCOOTER FEM波数积分

% 第4步：可视化
plotshd('MunkB_Coh')       % 传播损失彩色图（距离×深度）
plotray('MunkB_ray')       % 射线轨迹
plotssp('MunkB_ray')       % 声速剖面
plottlr('MunkB_Coh')       % 固定深度的 TL vs 距离曲线
plottld('MunkB_Coh')       % 固定距离的 TL vs 深度曲线

两套实现的对比

特性	xxxM() 纯MATLAB	xxx() Fortran
需要编译	不需要	需要 gfortran + make
速度	较慢	快很多（10-100倍）
调试	容易	困难
功能覆盖	主要功能都有	最完整
推荐	学习和小规模测试	生产级计算

目前 MATLAB 纯实现覆盖了 BELLHOP (bellhopM)、KRAKEN/KRAKENC (krakenM/krakencM)、KRAKEL (krakelM)、SCOOTER (scooterM) 和 FIELD (field)，功能已经很完整。

总结

想跑通所有模型的话，建议按这个顺序：

1. tests/Munk/ 下的 BELLHOP 射线 (MunkB_ray)、相干 (MunkB_Coh)、到达 (MunkB_Arr) → 理解射线追踪
2. 同目录下的 KRAKEN (MunkK + field) 和 SCOOTER (MunkS) → 对比三种方法
3. tests/MunkLeaky/ 下的 KRAKENC → 理解泄漏模态
4. tests/wedge/ → 经典基准问题
5. tests/Bellhop3DTests/ 下的各个场景 → 3D 效果
6. tests/MunkTS/ 下的 SPARC → 时域

总共约 200+ 个 .env 文件覆盖了水声传播建模的几乎所有经典场景。