水平分层低马赫数运动介质中的声传播

针对海流对水声传播的影响,基于高斯波束追踪方法,利用高频近似的低马赫数亥姆霍兹方程,建立了三维低马赫数运动介质下的声传播模型,并将该模型应用于浅海与深海水平分层介质下的声传播问题。仿真结果表明,海流能定性定量地改变声传播模式。浅海环境下,声速梯度大于流速梯度,导致顺逆流声线反转点的差别随着距离增加而增大;此外声线到达结构也会发生较大改变。深海环境下,流速梯度大于声速梯度,顺流方向表面声道消失,使得表层顺逆流传播损失相差10 dB以上,同时水平分层环境中也会产生三维声传播效应。因此在流速梯度与声速梯度相当甚至更大时,海流对声传播的影响不能被忽略。     

声速剖面对深海远程声脉冲结构的影响

利用东印度洋和南海海域进行的深海远程声传播实验数据,比较分析了声道轴附近深度发射的声信号在两个海域不同声速剖面结构下的远程传播损失和脉冲时间到达结构。通过对比观测发现,两海域的深海声传播损失特性存在一定的差异,声脉冲时间到达结构差异性显著。首先,在东印度洋实验中观测到潜标垂直阵同一接收距离上,靠近声道轴传播的声能量较大,且声道轴附近声速较小但沿其传播的声信号却最先到达,而偏离声道轴传播的声信号延后到达,在整个接收深度上呈现出声道轴附近接收波形早于其他深度到达的分支结构,这与南海典型深海环境下的脉冲时间到达结构存在显著差异。其次,结合深海声道的参数化数学模型,分析了声速剖面对远程脉冲传播时间到达结构的影响机理,并理论解释了两个海域实验中观测到的脉冲声信号时间到达结构现象,其形成原因在于深海声道中决定声速剖面结构的声道轴系列参数的差异。该研究结果对通信声呐在不同海域深海远程环境下的应用具有一定的参考意义。     

接收基阵垂直指向性引起的附加声传播损失

具有垂直方向指向性的接收基阵对入射声波有方向加权效应，本文在该类基阵声纳方程的基础上，导出了附加声传播损失的具体表式，讨论了深度一声速梯度对附加传播损失的影响，最后给出包声速梯度条件下的算例，计算结果与海上试验吻合较好。     

深海上层声速剖面水平非均匀分布对声场会聚区特性预报的影响

针对深海上层声速剖面水平方向弱变化对声场会聚区特征的影响,通过对0°出射声线传播轨迹的分析,提出了只考虑声源及会聚区位置附近声速剖面水平变化实现深海声场会聚区特征准确预报的方法,该方法有助于降低深海声传播调查时声速剖面水平非均匀分布的测量工作量。通过模拟小振幅内波引起深海上层声速剖面水平非均匀变化,对该方法进行了仿真验证。南海声传播试验数据分析表明,当不考虑上层声速剖面的水平非均匀分布时,模型预报的声场会聚区位置及会聚区能量分布与实测结果有一定差异,该差异具有距离累积效应,到第二会聚区时位置累计误差可达3 km,当考虑会聚区宽度内声速剖面水平变化时,模型预报的声场会聚区位置与实测结果非常吻合,第二会聚区位置预报误差小于1 km。     

负梯度声速剖面的浅海混响平均强度的垂直结构

声速剖面是影响声场能量重新分配的主要参量。混响包含有双程传播和反向散射过程,文中根据全波动混响理论,从声速剖面对简正模态的垂直结构的影响出发,通过数值仿真和理论分析研究了负梯度声速剖面对双程传播损失和反向散射强度的垂直结构的影响,进而得到声速剖面对混响平均强度的垂直结构的影响。数值仿真结果表明,传播距离近的条件下,混响平均强度的垂直结构受声速剖面的影响在实际应用中可以忽略不计;传播距离足够远,并且相对声速梯度在10-4 m-1量级时,混响平均强度的垂直结构才会受声速剖面的影响有明显的变化。负声速梯度下的混响实验也表明,在有限的混响时间内,混响平均强度的垂直结构保持稳定。      

声表面波介质表面受力条件下的波速变化研究

为了计算力负载直接作用在声表面波传播表面时波速的变化特性,通过有效材料系数将负载引入,并用广义Green函数计算声速,得到了数值计算的结果,并用声表面波谐振器进行了实验.实验结果表明,将力负载直接加载在声表面波的传播表面时,波速变化量和力负载大小近似为线性关系,该加载方式下,实验中声表面波谐振器的谐振频率对外加质量负载有较高的灵敏度,可达1900 Hz/g.     

大陆架低频声传播建模研究

在过去的几十年中大陆架斜坡海域的低频声传播得到越来越多的重视。针对爆炸声作为声源的一次海上实验测量数据,对大陆架海域的低频远距离声传播进行了建模研究。在实验过程中单水听器布放在水下大约240m处接收爆炸声信号,对两条不同测线的传播损失进行了处理。本文结合海底地声模型并考虑了声速剖面的水平变化,利用抛物方程方法对传播损失进行建模。模拟计算该海域的传播损失同实验测量数据相比具有较好的一致性。     

南海海域跨海沟环境的声场会聚特性

利用南海北部海域的声传播实验数据分析了跨海沟条件下的声传播特性。结果表明:由于负梯度声速剖面和海底地形的共同作用,导致声能量在开始随着海沟深度变化向更深层位置上弯曲传播,传播损失在海沟中心位置附近达到最大。在海深逐渐变浅的距离上,由于海底反射使得声能量逐渐会聚,声传播损失比单纯陆坡变到深海环境下要减小20 dB以上。当会聚效果小于扩散和海底反射等引起的损失时,声传播损失达到最小,之后随着距离增大而增大;在海沟最后一段,当海深在8 km范围内从850 m突然变浅到311 m,声场能量逐渐会聚效果再次凸显,使得声传播损失减小10 dB。利用射线理论和抛物方程近似数值分析,解释了海沟环境下的由于地形变化引起的声场会聚传播特性。      

冬季冲绳海域地形及黑潮对声传播的影响

冲绳海域地形复杂且冬季存在较强的黑潮海洋锋,利用数值实验研究斜坡地形和海洋锋同时存在时由浅海至深海的声传播特性。海洋模式数值预报环境数据表明,分布于冲绳海槽斜坡上方的海洋锋导致该海域上层水体声速存在水平变化,纬度越高,水平变化越大。利用抛物方程声场模型计算声传播损失,通过简正模态分析存在表面声道的环境中声能量分布,利用声线轨迹图解释海底斜坡和海洋锋对声传播的影响。结果表明:声源频率低于表面声道截止频率时,声传播主要受海底地形影响;声源频率高于表面声道截止频率时,位于表面声道内的声源激发的声能量主要在表面声道传播,部分声能量从表面声道泄漏沿斜坡向深海传播,位于表面声道深度以下的声源激发的声能量主要沿斜坡向深海传播,斜坡地形导致表面声道下方至共轭深度这一深度范围呈现为声影区,海洋锋的存在可导致表面声道传播损失变化明显,影响程度与声源深度有关。     

西北太平洋副热带模态水区域声传播特性*

西北太平洋副热带模态水(STMW)是在西北太平洋夏季出现的温跃层中温度、盐度和密度具有垂向均一性的水团。由于西北太平洋副热带模态水(STMW)的存在,深海声速剖面呈现出双跃层结构,对深海远程声传播产生较大的影响。本文对比分析了西北太平洋副热带模态水(STMW)区域夏冬两季典型声速剖面环境下的声传播规律。分析结果表明,夏季声速剖面环境下,声源位于浅层声道宽度内时,声传播为浅层声道的类深海声道传播与会聚区传播的复合形式。掠射角较小的声线被限制于浅层声道中,增加了会聚区内的到达结构,并且增强了在影区的声能量,在第二影区内的传播损失比冬季声速剖面环境下最多低近60dB。本文推导了浅层声道的截止频率的近似表达式,分析结果表明,截止频率主要由浅层声道的宽度和正梯度段的声速差值决定,夏季STMW区域浅层声道截止频率主要集中在100Hz左右。     

海洋波导中目标声辐射场的计算方法

针对海洋波导中目标声辐射场的计算问题,提出了一种基于波叠加法并在近、远场采用不同水声传播模型的建模方法,可以将近、远场作为一个统一的系统进行高效地分析。该方法通过给定的已知表面振动速度的结构计算出目标内部虚拟点声源的源强,再配合在相应的水声环境中点声源传播模型的Green函数计算出结构外的声辐射场。以Green函数为纽带,在求源强和计算近场声辐射场时采用镜像虚源法,而在计算远场声辐射场时采用简正波法。通过该方法得到的有限水深波导中声速剖面为正梯度、负梯度、负跃层的3种情况下的脉动球、刚体摆动球的声辐射场计算结果与COMSOL的有限元计算结果进行对比,结果表明了该方法在提高计算效率的同时保证了计算精度。      

采用小生境遗传算法反演浅海声速剖面研究*

针对浅海声速剖面反演问题,采用小生境遗传算法,结合声线搜索的最快本征声线匹配反演,实现浅海负跃层条件下的声速剖面估计。利用经验正交函数对声速剖面的多参数不确定性降维,依据声场计算模型获取的最快特征声线传播时延与观测声传播时长进行匹配,采用小生境遗传优化算法,获取最优经验正交函数估计,实现声速剖面反演。按上述方法反演处理浅海声传播实验数据,结果表明,该方法针能够有效反演浅海声速剖面,并且显著优于传统遗传算法反演结果。     

可靠声路径传播特性及目标定位方法研究现状*

作为深海中重要的声传播途径之一,可靠声路径声道下的噪声级较低,声速剖面变化和海底界面作用对其影响较小。此外,当接收水听器位于该声道下时,可实现对近海面中近距离目标的无盲区监测。因此,可靠声路径必将成为一种重要的探测与定位途径。本文从可靠声路径的声传播特性着手,概述了国内外研究现状,逐步探讨结合各声传播特性所开展目标定位技术。旨在回顾当前各项技术成果并展望基于可靠声路径的目标定位技术今后的发展趋势。     

Peculiarities in the formation of the sound field structure of a point source in the Black Sea underwater sound channel

This paper studies unique (characteristic only of the Black Sea) peculiarities of the underwater sound channel (USC). Changes in the sound velocity of at depths of 50–250 m, forming the lower boundary of the Black Sea USC, differ fundamentally from the corresponding areas of the profile c(z) in other regions of the world ocean. With lowering from 40–50 m (by 5–10 m lower than the level of the channel axis) to 200–250 m, the sound velocity gradient decreases monotonically from 0.08–0.22 to 0.02 1/s (and does not increase like in the majority of regions of the world ocean). The end portion of an explosion signal received in the Black Sea USC at a distance of 200 km or more from the source represents a quasi-harmonic signal with a gradually changing frequency. Moreover, the end portion of the signal has an explicitly block structure, which agrees well with the block structure of the spectrum of an explosion signal element. In the truncated τ(R) diagram, there is no sharp bend characteristic of the majority of regions of the world ocean. At comparatively small depths of the Black Sea, a sufficiently rapid increase in the complete duration of a multiray signal with distance is observed. A comparative analysis is conducted of experimental materials obtained with a difference of seven years on virtually the same long-range propagation path of explosion signals. The main reasons for the interannual variability in the conditions of sound channel propagation in the Black Sea are explained.     

Experimental studies of pulsed signal propagation from the shelf to deep sea

Results of an experimental study of low-frequency broadband pulsed signal propagation in a waveguide that includes the shelf zone, the continental slope, and the deep sea region are presented. Using phase-manipulated signals with central frequencies of 366 and 600 Hz, pulsed characteristics are measured at six points along the propagation track, the maximal distance from the source being 368 km. It is experimentally demonstrated that, in the presence of a negative sound velocity gradient in the near bottom layer on the shelf with a small bottom slope, the choice of the source position at the shelf bottom near the shoreline provides the formation of a continuous illumination zone in the deep sea near the USC axis and a stable pulsed characteristic with two main sound energy arrivals. The propagation velocity of the pulse that is last to arrive is identical (within the measurement error) to the velocity of sound on the USC axis at the point of reception. Possibilities for practical application of the results obtained from the experiment are discussed.     

Random focusing of sound into spatially coherent regions

Abstract

Oceanographic variability creates a weak random propagation medium for acoustic waves. The impact on acoustic transmission is becoming increasingly appreciated as the deterministic modelling of sound propagation in the ocean has become tractable and better understood. Beyond the near field (where phase fluctuations are weak) and the far field (where the scintillation index becomes saturated) multiple-scattering theory predicts that random focusing will greatly enhance the acoustic energy density over small volumetric regions, which we call ‘ribbons’. In 1986 an experiment was carried out in the eastern Mediterranean to test this prediction using acoustic propagation along distinct, resolvable ray paths. This experiment is one of the few to map the spatial structure of acoustic intensity with such a large vertical aperture, and as far as the authors are aware it remains the only experiment to attempt to detect the two-dimensional structure of the predicted focused ribbons for individual energy paths. Renewed impetus to publish the results has been provided by the recent focus on moderate- to high-frequency acoustics in near-shore and shallow-water environments. The experiment is described and high-intensity regions consistent with the theoretical predictions are reported. A 3.5 kHz pulsed signal was transmitted over ranges of 11–23 km and sampled over a vertical aperture of 250–350 m and horizontal apertures of 4–4.5 km. The acoustic signals travelling along individual ray paths developed randomly focused regions of 6–18 dB over regions with a vertical dimension of about 20 m and whose horizontal length could possibly be up to 1 km. The understanding of these features allows system limitations to be estimated quantitatively and opens up the way to their constructive tactical use. The results are applicable to many systems from towed array sonars to high-frequency bathymetric sidescan and minehunting.     

深海脉冲信号簇到达结构特征及其在水下声源定位中的应用

为了实现对深海水下声源的定位,对典型深海环境中的脉冲信号到达结构特征进行了理论分析,给出了声源和接收位置位于近海面时到达信号的簇信号形式近似表达式。当声源和接收位置处于近海面深度时,接收到的信号呈簇状结构形式。在提取到达信号中各簇信号到达时间、幅值等特征参数的基础上,提出了一种通过对到达信号中簇信号特征参数匹配搜索进行水下脉冲信号定位的方法,仿真分析了不同距离和不同深度处的簇信号特征,并利用一次南海海域爆炸声源的声传播实验数据进行了实验验证。结果表明:各簇信号对应的到达时间、幅值等特征参数可用于对声源位置的匹配定位;海上实验中利用单水听器得到的水下声源的距离估计结果与实测距离结果较为一致,对实验中2.0 km至90.4 km内声源的距离估计误差不大于8%。      

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.     

大陆坡海域二维声传播研究

针对在西北太平洋大陆坡外海进行的一次实验中观测到的接收信号能量在声道轴深度附近较为集中的现象,分析了存在向下斜坡时声源置于海面附近和斜坡表面两种情况下斜坡分别对声传播的影响。通过数值模拟,得到了不同声源深度下的传播损失和脉冲的时域波形,数值结果表明,当声源置于海面附近时,声波在水平不变深海环境中随距离衰减很快,而大陆坡的存在可实现能量的远距离传播;当声源置于斜坡表面时,大陆坡会改变水体中声波能量的分布,使其在声道轴深度附近比较集中,这种传播条件下小掠射角声线产生的时间展宽很小,