由小斜率近似计算空气声经粗糙海面透射至深海中的声场

采用一级小斜率近似方法处理空气声经粗糙海面透射至深海中的声场问题,导出了透射场及其相干分量的表达式。假定海面高度一维变化且频谱满足PM谱,采用小斜率近似方法计算了相应的透射场。对于空气中的线源,小斜率近似与积分方程方法结果一致。当水下测量点距离较远且深度较浅时,平均声强随海面均方根高度增加而增加至一极限值,相干声强则随海面均方根高度增加而一致减小。对于空气中的点源,小斜率近似计算表明,水下平均声强还依赖于测量点相对于声源的方位,而相干声强则与测量点的方位无关。      

起伏海面散射引起浅海声传播损失的统计特性与快速声场预报方法

基于海洋环境信息、起伏海面的小斜率近似和简正波模型,研究了浅海环境中不同季节起伏海面散射引起的声传播损失的统计特性,给出了海面散射声传播损失-风速拟合公式以及一种快速声场预报方法,可据此快速评估水下长期工作设备的工作性能。仿真结果表明,对于全年运行的水声设备,当传播距离超过10 km时,须考虑起伏海面散射对声传播的影响。起伏海面散射对声场的影响冬季大于夏季,在夏季负跃层环境中起伏海面散射对下发上收声场的影响大于下发下收声场。     

粗糙海面高功率微波传输特性矩量法分析

应用蒙特卡罗方法实现了粗糙海面的仿真与模拟,建立了基于双积分方程的高功率微波（HPM）近海面传输特性矩量法计算模型。模型采用光滑窗函数对均匀平面波进行调制,把均匀平面波入射调制为锥形波,消除了粗糙海面突然被截断而引起的边缘效应的影响;重新推导了锥形波入射下的基尔霍夫近似公式,并在满足基尔霍夫近似的条件下,通过对比分析,验证了模型的正确性;采用模型计算分析了不同海面几何参数和海水媒质参数对HPM近海面传输系数的影响。结果表明:粗糙海面的均方根高度对HPM传输系数影响明显,均方根高度越大,传输系数越小,能量分布越均匀;另外随着海水介电常数实部和虚部的增加,传输系数均有所增加,并且实部的影响更明显。     

二维动态海面-气泡层中蓝绿激光的透射特性

为研究气-海跨介质的蓝绿激光传输特性,针对气-海跨介质界面及海面下气泡层,依据基尔霍夫近似、Mie理论与Beer理论建立了蓝绿激光通过海面-气泡层的下行传输模型。充分考虑了受风速影响的海面高度起伏、海水中气泡浓度变化、海水中洁净气泡和有薄膜覆盖气泡的混合等因素,数值计算了蓝绿激光经过海面-气泡层的透过率随风速、海水中的传输深度以及接收平面与发射平面夹角的变化关系。结果表明,蓝绿激光通过气-海界面及海水中的透过率主要取决于风速的大小与激光在海水中的传输深度;随着风速的增大,海面粗糙度与上层海洋中气泡浓度增大,激光透过率降低;与海水相比,气泡层对激光透过率的影响会随着深度的增加而降低;对于半径大于10μm的气泡,蛋白质薄膜的覆盖对蓝绿激光的衰减影响不大。     

基于小斜率近似的深海海面混响

收发设备在海面附近的深海混响实验中,多途时延使得最先到达水听器的为海面混响信号,且不受海底散射声场的干扰.本文利用射线理论描述深海声传播的格林函数,采用粗糙界面一阶小斜率近似方法描述全角度海面散射,给出海面混响声场的表达式.同时考虑了海面表层气泡散射的贡献,获得了海面混响理论.通过数值仿真数据和深海实验数据的比较对海面混响模型进行验证,分析了不同接收深度、频率下的海面混响强度衰减趋势.结果表明:低海况条件下,低频海面混响由粗糙界面散射主导,气泡散射可以忽略,随频率升高,气泡散射对海面混响的贡献逐渐增大,海面附近收发深度的小幅变化对混响衰减曲线的影响不明显.基于该模型提出一种反演海面粗糙界面谱参数的方法,数值计算结果验证了该模型能够在风速已知的前提下,通过海面混响数据提取海面粗糙界面谱参数.     

空气中快速运动声源水下声场的波数积分模型

本文采用二维波数积分，对空气中高速运动声源激发的水下声场进行建模。针对二维波数积分计算声场时域解计算量大的问题，提出一种快速计算方法。用本文提出的方法，对深海和浅海情况下，空气中高速运动单频点声源激发的水下声场进行了计算和仿真。计算结果表明：在深海，水下接收信号的幅度和瞬时频率随时间发生变化；接收器深度、接收器与声源运动轨迹的最小距离对接收信号的变化快慢有较大影响，而声源高度的影响较小；在浅海中，接收信号呈现快速的幅度起伏，明显的多普勒频移和大的频率展宽效应。与简正波方法相比，本文方法主要适用于近场计算，而简正波方法适用于远场。另外，当声源频率较高时，二维波数积分方法的计算量将迅速增大。     

海面冰层对声波的反射和散射特性

北极海面冰层复杂多变,其对声波的反射和散射严重影响冰下水声信道的传输特性,建立海面冰层的声波反射和散射模型对冰下水声通信研究具有重要意义.假设海面冰层为多层固体弹性介质且冰-水界面粗糙,满足微扰边界条件,导出声波从海水介质入射到海面冰层时相干反射系数满足的线性方程组.对相干反射系数随声波频率、掠射角、冰层厚度的变化进行数值分析.进一步引入根据散射声场功率谱密度计算散射系数的方法,改变掠射角,对冰层厚度、散射掠角对散射系数的影响进行研究.     

指数型分层介质粗糙面光透射问题的微扰法

运用微扰法研究了平面波入射分层介质粗糙面的光透射问题,推出了不同极化状态的透射系数公式.采用指数型粗糙面模拟实际的分层介质粗糙面,结合其功率谱导出了平面波入射时的透射系数计算公式.通过数值计算得到了HH极化情形透射系数随透射光散射角变化的曲线.数值计算结果表明,底层介质介电常量对透射系数几乎没有影响;中间介质介电常量影响透射系数的大小及透射系数角分布曲线;中间介质厚度增大为原来的二倍时,曲线振荡的周期减小为原来的二分之一;粗糙面高度起伏均方根影响透射系数的大小、曲线振荡的振幅;粗糙面高度起伏相关长度既影响透射系数的大小、同时影响曲线的振荡行为;透射系数随入射波长的增大而振荡减小.     

分形分层粗糙面电磁波透射特性的混合算法

运用基于矩量法(method of moment,MoM)结合基尔霍夫近似(Kirchhoff approximation,KA)的混合算法研究一维带限Weierstrass分形分层介质粗糙面的电磁波透射问题.在混合算法中将上层粗糙面和下层粗糙面分别划分到MoM区域和KA区域,数值计算得到透射系数随透射波的散射角的变化,讨论粗糙面分维数、高度起伏均方根、底层介质介电常数、中间层介质介电常数和厚度、入射波频率对透射系数的影响,结果表明上层粗糙面参数对透射系数有显著影响,而下层粗糙面参数对透射系数影响较小.     

弹性波在固体自由粗糙平界面上的散射

利用散射幅度矩阵的概念来处理弹性波在粗糙界面弹性介质中的散射问题。利用微扰近似解边界方程,对散射幅度进行求解,得到了散射幅度的0阶、1阶和2阶解。同时分析了粗糙起伏高度符合高斯分布时,散射幅度的数学期望值和方差,它们分别代表平均场和声场在偏离镜面方向的起伏。最后进行了实验。     

Sound transmission from air into shallow water through rough sea surfaces by small slope approximation

The first-order small slope approximation is applied to the problem of the sound transmission from an airborne source into shallow water through a rough sea surface.By assuming a three-layer homogeneous fluid model and decomposing the sound field in water layer into up-going and down-going waves,the expressions for the down-going wave and thus the total field are derived.The expressions can be calculated by the FFT,but the alias problem will arise.To mitigate the alias effect,additional medium absorption is introduced and afterwards compensated.Monte Carlo calculations are performed.The sea surface is assumed to be random rough with a Pierson-Moskowitz spectrum and to have height variations in only one dimension.The results show that the mean field intensity decreases as the root-mean-square surface height increases,while the mean-square field intensity increases slightly.     

由小斜率近似计算空气声经粗糙海面透射至深海中的声场（英文）

The first-order small slope approximation is applied to the problem of the sound transmission from an airborne source into deep ocean through a rough sea surface,and expressions are derived for the transmitted sound field and its coherent component.Numerical calculations are performed.The sea surface is assumed to be random rough with a PiersonMoskowitz spectrum and to have height variations in only one dimension.For the case of the airborne line source,the small slope approximation results are in good agreement with those from integral equations,and show that the mean of sound intensity at observation direction with shallow depression angle increases and approaches a limit as the root-mean-square surface height increases,while the coherent field intensity consistently decreases.For the case of the point source,the small slope approximation results show that the mean of sound intensity depends significantly on the source-receiver bearing angle,but the coherent field intensity is independent of this angle.     

浅海周期起伏海底环境下的声传播

海底粗糙对水下声传播及水声探测等应用具有重要影响.利用黄海夏季典型海洋环境,分析了同时存在海底周期起伏和强温跃层条件下的声传播特性,结果表明:由于海底周期起伏的存在,对于低频(<1 kHz)、近程(10 km)的声信号,传播损失可增大5—30 dB.总结了声传播损失及脉冲到达结构随声源深度、海底起伏周期及起伏高度等因素变化的规律.当海底起伏周期不变时,起伏高度越大引起的异常声传播的影响随之变大;当起伏高度不变时,随着起伏周期变大,其对声传播的影响逐渐变小.用射线理论分析了其影响机理,由于海底周期起伏改变了声波与海底的入射和反射角度,使得原本小掠射角入射到海底的声线变为大掠射角,导致海底的反射损失增大;另一方面,声线反射角度的改变会使得原本可以到达接收点的声能量,由于与海底作用次数增加或变为反向传播而大幅度衰减.在浅海负跃层环境下,声源位于跃层上比位于跃层下对声传播影响更大.周期起伏海底对脉冲声传播的影响表现在引起不同角度的声线(或简正波号数)之间的能量发生转化,一些大角度声线能量衰减加大,多途结构变少.多途结构到达时间及相对幅度的变化进而影响声场的频谱,会使得基于匹配场定位的方法性能受到影响.所以,声呐在实际浅海环境中应用时,应对起伏海底的影响予以重视.此外,研究结果对海底地形测绘空间精度的提高也具有重要参考意义.     

修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算高斯起伏冰面三维声散射

针对随机起伏冰面的声散射计算问题,利用修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算了高斯起伏冰面的三维声散射。在计算模型中引入了冰面局部统计平均反射系数的概念,将二维高斯起伏冰面的散射分为相干散射和非相干散射,分别得到两类散射成分的散射系数公式,计算了高斯起伏冰面三维声散射的散射强度。分析了散射强度与随机起伏冰面的均方根高度、声波入射角度及频率的关系。通过实验室水池中高斯起伏冰面的散射强度测量实验,对理论模型的计算结果进行了验证。将实验结果分别与采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果和文献中采用平整冰面镜反射系数的模型计算结果进行了对比,采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果与实验测量值吻合较好。      

Intensity and space-time characteristics of the sound field in the underwater sound channel of the Black Sea

Experimental data are presented on the intensity and space-time characteristics of the sound field generated by explosions in underwater and surface sound channels of the Black Sea. The fine field structure is studied as a function of distance and positions of the source and the receiver. The discreteness of the field structure governed by the deterministic nature of the waveguide is revealed, and the destruction of this structure under the effect of the instability of the waveguide parameters is demonstrated. The effect of the rough sea surface on the sound field in the surface channel is studied, and the diffraction-caused propagation loss is estimated. The mechanism of the forerunner formation is considered. The experimentally observed sound field features are compared with the calculations. A possibility for solving the inverse problem is indicated, and the main parameters that are used in the ray method of determining the source coordinates in the underwater channel (i.e., the method earlier proposed by the author on the basis of the intrinsic structure of the sound field) are pointed out.     

浅海涌浪对表面声道声传播的影响

受海面强风和海-气相互作用影响,表面声道普遍存在于冬季海洋环境中,是一种天然有利于声传播的波导.但是海面波浪使得海表形成粗糙界面,会严重破坏这种优良性能.本文利用南海北部海区的一次冬季声传播实验数据,研究表面声道声传播特性.研究表明,海底底质对表面声道内声传播的影响较弱,当海面风较小时,涌浪造成的影响为主要原因.实验数据显示,考虑涌浪后的粗糙海面给70km远处带来了10dB的传播损失增长.因此在考察南海北部海区冬季声场特性时,不仅要考虑海面风浪的影响,更需要考虑周围海域传来的涌浪的影响.研究涌浪存在时的声传播特性对提升声纳设备在海况较差时的使用性能具有重要意义.     

Experimental and theoretical study of the vertical coherence of the sound field in a shallow sea

The combined effect of multiple scattering by random inhomogeneities of a waveguide and bottomcaused sound absorption is known to be a fundamental factor that governs the formation of the sound field in a shallow sea [1, 2]. A number of publications [2–6] present statistical analyses of the fluctuation phenomena that accompany the sound propagation in shallow sea regions. In these publications, most attention is paid to studying the evolution of the intensities of normal waves under the effect of scattering by the random field of internal waves. It is shown that in natural conditions, in addition to the inhomogeneities of the water column, one should take into account the irregular boundaries of the sound channel, which can also affect the correlation characteristics of the sound field. In this paper, we present experimental data on the vertical coherence of the sound field on a fixed path in the Barents Sea. We also compare the experimental data with theoretical calculations based on a model of sound scattering by the rough sea surface.     

南海北部浅海声场起伏及统计特性

水下声场的时间积分声强和峰值声强是声呐检测中的重要物理量,而海洋中的内波等动力学过程会造成声场强度的起伏。对南海北部浅海内波环境下定点声起伏实验数据分析,结合数值仿真,总结了试验海域近海底发射和近海底接收条件下内波引起接收信号强度起伏的统计特性.分析结果表明:接收信号的时间积分声强起伏小于峰值声强起伏;时间积分声强与峰值声强起伏的概率分布与对数正态分布较为接近.时间积分声强和峰值声强起伏大小与信号的频率有关,同一收发距离,中心频率650 Hz信号的声强起伏较中心频率310 Hz和375 Hz信号的声强起伏更为剧烈。对于同一频率,当海底较平坦时,声强起伏的闪烁指数随传播距离的增加而增大;当水深随传播距离逐渐变深时,声强起伏规律受内波和水深变化共同影响而更为复杂,闪烁指数先随传播距离增加而增大,之后又随传播距离的增加而逐渐变小.