复等效深度耦合简正波模型

为了考虑海底地形随距离变化的非水平分层介质中割线积分对声场的贡献,提出了复等效深度耦合简正波模型。该耦合简正波模型由介质运动方程和连续性方程推导得到了耦合微分方程组,此方程组满足海底地形随距离变化情况下的边界条件且仅包含一个耦合矩阵,并通过引入复等效深度理论处理连续谱和离散谱之间的相互耦合。仿真计算表明,复等效深度耦合简正波模型提高了波导简正波本征值位于割线枝点附近情况下声传播损失的计算精度,充分考虑了波导简正波、非波导简正波和割线积分对声场的贡献,可快速而准确地计算非水平分层介质中的声场。      

三维绝热简正波-抛物方程理论及应用

复杂海域通常存在环境参数的水平变化,这会导致声波在传播过程中发生水平折射,呈现出三维效应.利用绝热简正波-抛物方程理论进行三维声场建模,在垂直方向上使用标准简正波模型KRAKEN求解本征值和本征函数,水平方向上使用宽角抛物方程模型RAM求解简正波幅度.该模型物理意义清晰,计算效率高,但由于忽略了各号简正波之间的耦合,只适用于环境参数水平变化缓慢的问题.使用该模型分析了内波环境和大陆架楔形波导中的声波水平折射现象,结果表明,声波的水平折射将水平平面分为不同区域,每个区域内的声场结构明显不同.此外,声强在水平平面内的分布与声源频率和简正波号数有关,这种依赖关系是导致声信号频谱变化、波形畸变以及声场时空扰动的主要原因.     

一种水平变化可穿透波导中声传播问题的耦合简正波方法

通过利用标准简正波程序KRAKEN计算本地简正波解及耦合矩阵, 进一步发展了求解水平变化波导中声场的全局矩阵耦合简正波方法(Luo et al., "A numerically stable coupled-mode formulation for acoustic propagation in range-dependent waveguides," Sci. China-Phys. Mech. Astron. 55, 572 (2012)), 使得该方法可以处理具有可穿透海底及随深度变化声速剖面等实际问题, 并提供声场的完全双向解. 本文还给出了双层波导中耦合矩阵的解析表达式, 并利用其验证了本方法中耦合矩阵数值算法的精度. 最后, 利用改善后的全局矩阵耦合简正波模型(DGMCM)计算了美国声学学会(ASA)提出的可穿透楔形波导标准问题, 将所得数值解与参考解比较, 结果表明DGMCM方法可以精确处理水平变化波导中声传播实际问题. 关键词： 耦合简正波理论 全局矩阵方法 可穿透楔形波导     

浅海内波影响下的波导不变量变化特性分析

针对浅海内波引起波导不变量变化的问题,利用声场波导不变量的概率分布并结合声场简正波的理论,研究了内波活动下波导不变量的时变性,给出了波导不变量变化的机理和规律.具体结论是,在负跃层波导中,声场的波导不变量的最大概率取值具有明显的频变特性.内波环境下,当声传播方向与内波波阵面平行时,接收声场简正波的幅度变化不大,但是简正波的相慢度差和群慢度差的变化却能引起波导不变量最大概率取值的变化;而当声传播方向与内波波阵面垂直时,内波引起的简正波耦合同样会导致波导不变量的最大概率取值的明显变化.     

水平变化波导中的全局矩阵耦合简正波方法

提出了一种新的水平变化波导中声场的耦合简正波求解方法,该方法能够处理二维点源和线源问题,提供声场的双向解。该方法利用全局矩阵(DGM)一次性求解耦合模式的系数,消除了传播矩阵递推求解中存在的误差累积问题;此外,改善了现有模型中对距离函数的归一化方法,从而避免了泄露模式指数增长导致的数值溢出问题。本文还给出了绝对软海底理想波导中耦合矩阵的闭合表达式,并分析了单个阶梯下简正波耦合现象。此外,本文还计算了理想楔形波导中的声传播问题(ASA标准问题),并与解析解及COUPLE07计算结果进行了比较,结果表明该方法是一种稳定、精确的水平变化波导中的声场计算方法。      

浅海中孤立子内波引起的声能量起伏

当孤立子内波的波阵面与声传播路径所成角度较大时,简正波耦合是导致声信号起伏的主要因素。研究了浅海中孤立子内波引起的声能量起伏规律,给出声场起伏的耦合简正波表达式,并使用抛物方程模型进行仿真。数值分析表明,接收点声强随时间变化呈准周期性。在频谱图中能够得到声强起伏的主导频率,主导频率与孤立子内波沿声传播路径的移动速度成正比,与无扰动波导中简正波在距离上的干涉周期(对应于射线理论中临界声线的跨度)成反比,与孤立子内波的形状无关。此外,对声强频谱的垂直结构进行了分析,该结构与对声场起伏起主要作用简正波的本征函数相关。      

斜坡海底条件下声场垂直相关特性研究

利用数值仿真和实验研究分析和总结了不同斜坡海底条件下声场垂直相关性随垂直间隔和传播距离的变化规律,并利用楔形简正波理论对海底倾斜引起的声场垂直相关变化机理进行了解释.研究结果表明,上坡和下坡地形的声场垂直相关性具有很大的差别.与水平海底相比,下坡海底会增加声场垂直相关性,上坡海底会减小声场垂直相关性.有效简正波之间的干...     

单阶简正波宽带干涉特性与孤立子内波定位

为了分析孤立子内波(SIW)对声场干涉特性的影响以及由此监测SIW,我们采用抛物方程模型,分析了孤立子内波影响下简正波耦合带来的单阶简正波宽带脉冲序列的干涉特性;仿真了宽带脉冲信号穿过SIW时,单阶简正波接收脉冲序列随内波位置的变化情况,分析了它们的时空干涉特性和机理;基于耦合简正波理论,推导得到了内波位置和干涉条纹斜率之间的关系。仿真表明,这一关系式可以精确估计SIW距离,估计精度和稳定性比以往方法大大提升。此外,还根据单阶简正波干涉图样在频率上的周期性,推导了另一种估计SIW距离的方法,该方法具有更好的实时性。SIW-简正波干涉关系可用于改善声场定位,对于海洋学、海洋工程和海洋军事等方面具有重要价值。此外,该关系还可以拓展到其他的局部特性变化的探测,如金属探伤和海底地形突变定位等。      

Pekeris波导中简正波的复声强及其应用

在Pekeris波导模型下,关注了简正波的矢量场,讨论了简正波水平复声强和垂直复声强的表述,并分析了其特征.单阶简正波在水平方向是行波,相应的水平复声强仅为有功的;在垂直方向为驻波,相应的垂直复声强仅为无功的.而多阶简正波相互干涉,因此总声场的复声强既有有功分量,也有无功分量,其中只有有功分量参与声能的输运,但无功分量是反映声场信息的重要组成部分.通过对垂直(交互)复声强无功分量和水平交互复声强有功分量的数值分析,对于甚低频率的点源声场,发现当声源深度变化时,上述声场分量的正负号呈有规变化,当接收传感器置 关键词： 目标深度分类 复声强 矢量场 Pekeris波导     

反演声场简正波耦合系数矩阵

研究了有内波传播时声场的耦合简正波形式,分析表明各阶简正波系数的时间信号包含多个频率成分,各成分的频率为对应的两地波数差与内波速度的乘积,各频率成分的振幅与对应简正波之间的耦合系数成正比。因此即使内波的波形不随其传播而变化,接收器处的各阶简正波系数仍然具有多频的复杂结构。由此并根据简正波耦合强度与声场简正波系数起伏强度的对应关系提出了一种反演简正波耦合系数矩阵的方法;并用实验中获得的内波数据,反演了声场;计算结果表明:该方法有效地反演了内波传播情况下的简正波耦合系数矩阵。     

A coupled-mode sound propagation model with complex effective depth

A coupled-mode sound propagation model with complex effective depth is presented,in order to involve the effect of branch line integral for acoustic field in a range-dependent waveguide.The equations of motion and continuity are used to obtain the coupled equations,which satisfy boundary conditions in the waveguide with varying topography and contain one coupling matrix.Meanwhile,the couplings between discrete and continuous spectrum are dealt with based on complex effective depth theory.Numerical simulations show that the accuracy of transmission loss is improved by the coupled mode model when eigenvalues of trapped modes are located near the branch point.The acoustic field in a non-horizontally stratified waveguide can be calculated efficiently and accurately by this model,and the energy corresponding to trapped modes,leaky modes and branch line integral can be considered adequately.     

一种水平变化波导中声传播问题的耦合模态法

针对介质参数及海底边界水平变化波导中的声传播问题,本文基于多模态导纳法提出一种能量守恒且便于数值稳定求解的耦合模态方法.将声压表示为一组正交完备的本地本征函数之和,对声压满足的Helmholtz方程在本地本征函数上作投影,推导出关于声压模态系数的二阶耦合模态方程组.耦合矩阵直观描述水平变化因素对模态耦合的贡献.为避免直接求解二阶耦合模态方程组可能遇到的数值发散问题,将其重构为两个耦合的一阶演化方程组,引入导纳矩阵并使用Magnus数值积分方法获得稳定的声场解.利用该耦合模态方法数值计算水平变化波导中的声场,并与COMSOL参考解比较,结果表明该耦合模态理论能够精确求解水平变化波导中的点源及分布源传播问题.     

Three-dimensional coupled-mode model and characteristics of low-frequency sound propagation in ocean waveguide with seamount topography

Large-scale topography, such as a seamount, substantially impacts low-frequency sound propagation in an ocean waveguide, limiting the application of low-frequency acoustic detecting techniques. A three-dimensional (3D) coupled-mode model is developed to calculate the acoustic field in an ocean waveguide with seamount topography and analyze the 3D effect. In this model, a correction is introduced in the bottom boundary, theoretically making the acoustic field satisfy the energy conservation. Furthermore, a large azimuth angle calculation range is obtained by using the operator theory and higher-order Padé approximation. Additionally, the model has advantages related to the coupling mode and parabolic equation theory. The couplings corresponding to the effects of range-dependent environment are fully considered, and the numerical implementation is kept feasible. After verifying the accuracy and reliability of the model, low-frequency sound propagation characteristics in the seamount environment are analyzed. The results indicate lateral variability in bathymetry can lead to out-of-plane effects such as the horizontal refraction phenomenon, while the coupling effect tends to restore the abnormal sound field and produces acoustic field diffraction behind the seamount. This model effectively considers the effects of the horizontal refraction and coupling, which are proportional to the scale of the seamount.     

水平变化双层波导声传播问题的耦合简正波解

为了验证现有模型的精度,导出了全反射下边界双层波导中简正波耦合矩阵的解析表达式,并将其应用到全局矩阵耦合简正波模型(Direct Global Matrix Coupled-Mode)中,使得该模型可以提供水平变化双层波导问题的标准解。文中首先利用COUPLE的简正波及耦合矩阵数值解验证了该简正波及耦合矩阵解析表达式的正确性;其次,采用改进的DGMCM模型求解了双层波导海山声传播损失,结果表明,改进后的DGMCM模型可以非常精确地求解水平变化双层波导问题,可作为求解此类问题的标准模型使用。     

The use of effective phase velocity to decrease the direction finding error for a low-frequency signal in a waveguide

The mode, interference, and phase structures of the low-frequency sound field and the spatial responses of the extended linear array in a waveguide are studied. The wide-angle parabolic approximation and the normal mode method are used to perform calculations. A possibility of approximating the field in the zone of interference maxima by the equivalent plane wave model with the real amplitude and averaged effective phase velocity (EPV) calculated or measured from the phase gradient at the array aperture is investigated. The use of EPV in the zone of interference maxima is shown to decrease substantially the direction finding error. The conclusion is drawn that the array and the transfer function of the waveguide can be approximately matched if the speed of sound in water is substituted with the EPV in the bearing algorithm.     

基于信道传播理论的多基地远程海底混响研究

针对浅海多基地远程海底混响, 以声传播的线性信道近似理论为基础, 通过确定海底界面的不均匀起伏特性, 对入射声波的远距离异地混响脉冲响应函数进行求解. 对非水平分层介质的浅海波导, 利用绝热简正波求解信道的传输函数, 得出了小角度斜坡海底的远程海底混响强度, 以下坡海底为例, 分析对比了不同海底倾角斜坡海底对远程异地混响强度及其衰减规律的影响. 理论仿真表明, 波导的传输效应对多基地远程海底混响强度的影响不可忽略.     

Modal group time spreads in weakly range-dependent deep ocean environments

The temporal spread of modal group arrivals in weakly range-dependent deep ocean environments is considered. It is assumed that the range dependence is sufficiently weak that mode coupling is predominantly local in mode number. The phrase "modal group arrival" is taken here to mean the contribution to a transient wave field corresponding to a fixed mode number. There are three contributions to modal group time spreads which combine approximately in quadrature. These are the reciprocal bandwidth (the minimal pulse width), a deterministic dispersive contribution that is proportional to bandwidth and grows like range r, and a scattering-induced contribution that grows approximately like r(32). The latter two contributions are shown to be proportional to the waveguide invariant beta, a property of the background sound speed profile. The results presented, based mostly on asymptotic theory, are shown to agree well with full-wave numerical wave field simulations and available exact mode theoretical results. Simulations are shown that correspond approximately to conditions during the LOAPEX acoustic propagation experiment.     

浅海矢量声场干涉结构形成机理及试验研究

浅海低频声场的微观结构特征在于具有可用波导不变量表征的 稳定空间-频率干涉结构.声场兼具标量场和矢量场, 波导条件下二者联合决定声场的全部特性. 本文研究浅海声场空频干涉结构的矢量场特征. 理论分析了声压谱、动能密度谱、声强流谱等矢量场干涉结构的形成机理, 探讨了矢量场干涉结构的波导不变量表征, 数值仿真研究了Pekeris波导中能量和能流密度的干涉特性, 进行了宽带声源辐射矢量声场干涉特性及表征的海上试验.实测结果与理论、仿真分析有较好的一致性. 研究结果表明: 中近程和中远程声场均能模态相干, 有稳定的空频干涉结构, 并且矢量声场空频干涉结构存在多种形式, 除各种能量和能流密度谱图外, 相干系数谱也呈现干涉特征, 这些形式的空频干涉结构均可用波导不变量理论有效表征. 关键词： 矢量声场 干涉结构 波导不变量 浅海低频声场