水平变化波导中的简正波耦合与能量转移

针对海底地形水平变化对声场能量传播和声场干涉结构的影响,对简正波之间的耦合和能量转移进行了研究.建立了一种二维大步长格式的耦合简正波模型和三维楔形波导耦合简正波模型,以便快速有效地分析简正波之间的耦合和能量转移.基于耦合简正波模型,阐述了前向声场能量在水平变化波导中传播时的转移过程.并根据射线简正波理论,解释了海底地形变化对声场能量分布的影响机理.水平变化波导中声场的仿真计算表明,当本征值虚部发生剧烈变化时声场存在着较强的简正波耦合和能量转移,且海底地形变化将导致声场能量的水平传播方向偏转至海水深度增加的方向.在声场能量转移和传播方向变化中,声场的能量趋于保留在波导中而不向海底泄漏.同时,声场能量分布受到类似于压缩或稀疏的作用,从而形成椭圆状的干涉结构.     

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。     

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。     

海洋内波对水下声场的影响

海洋内波是海水内部的波动之一,它与海洋表面的海浪运动有着非常不同的物理特征。海洋内波会引起海水温度剖面发生剧烈的波动,这种波动具有很强的方向性和时变性,对水下声传播影响巨大,并展现出一些很奇特的声波导效应(包括二维波导效应和三维波导效应),给水下目标的探测与定位以及水声通信等带来严重影响。海洋内波对声场的影响研究涉及到海洋动力学和水声学两个学科领域,文章重点介绍海洋内波对声场影响研究领域的相关进展,并对内波环境下典型声波导现象进行了讨论,最后对该领域未来的发展进行了总结和展望。     

利用波导不变量的浅海负跃层声源深度判别

在夏季负跃层水文条件下,声源激发的声场同时存在折射类和反射类简正波,导致通过分离简正波进行深度判别的方法性能下降甚至失效·提出了一种利用波导不变量判别声源深度的方法。当接收器位于负跃层以下时,水面声源和水下声源的波导不变量数值不同。在本文的仿真条件下,水面声源波导不变量约等于1,当声源位于负跃层以下时,波导不变量大于1.利用频域warping变换从干涉结构中提取与实际距离成线性关系的时域脉冲,可以在未知声源距离的情况下,从声场干涉结构中获得声源激发声场的波导不变量,从而在夏季负跃层水文条件下进行声源深度判别。方法无须声源与接收器存在最近经过距离,可适用于单水听器或水平阵波束形成后输出的LOFAR谱.仿真结果证明,方法可以提取水面目标和水下目标的时延轨迹并计算干涉条纹的波导不变量。最后,对海试实验数据进行分析处理,从水面声源的干涉条纹中提取波导不变量,证明了方法的有效性。      

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.     

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     

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     

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。     

内波、潮导致的声简正波幅度起伏及其深度分布

分析2005黄海声传播—内波实验传播起伏数据,观察(1)号声简正波幅度起伏及其深度分布特征。非线性内波(IW)通过接收阵可以导致脉冲峰值约5 dB起伏,幅度起伏垂向分布与简正波本征函数的微分分布吻合良好,(M2)潮致信号幅度起伏也满足相同深度分布特性。然而内波和潮致起伏的垂向相位变化明显不同:前者本征函数峰值两侧起伏信号反相,而后者近乎同相。前者由接收器与简正波分布的相对移动决定,而后者取决于简正波和水听器位置变化的复合效应。     

用不变本征算符法求晶面吸附原子的振动模

晶体表面的扩散和缺陷对晶体振动模式的影响是表面物理学研究的一个重要和基本的课题.晶格振动的频率对应于系统的能带.由于晶格中原子的振动不是孤立的,并且晶格具有周期性,所以在晶体中形成格波.格波代表晶体中所有原子都参与的频率相同的振动,又常称为一种振动模.本文讨论在表面吸附位势系数β_0与晶体内部原子的周期位势系数β不同的情况下,晶体表面吸附一个质量为m_0(与晶格原子质量m不同)的原子以后晶格的振动模.采用不变本征算符方法,严格地导出此振动模为ω=((2β(1-coshα))/(hm))~(1/2),其中α=ln[-(mβ_0+m_0(-2β+β_0)+(β_0)~(1/2)((-4mm_0β+(m+m_0)~2β_0))~(1/2)/2m_0β].此结果表明,ω不但取决于吸附位势与吸附原子的质量,也与晶格原子的质量与内位势有关.     

Acoustic propagation through anisotropic internal wave fields: transmission loss, cross-range coherence, and horizontal refraction

Results of a computer simulation study are presented for acoustic propagation in a shallow water, anisotropic ocean environment. The water column is characterized by random volume fluctuations in the sound speed field that are induced by internal gravity waves, and this variability is superimposed on a dominant summer thermocline. Both the internal wave field and resulting sound speed perturbations are represented in three-dimensional (3D) space and evolve in time. The isopycnal displacements consist of two components: a spatially diffuse, horizontally isotropic component and a spatially localized contribution from an undular bore (i.e., a solitary wave packet or solibore) that exhibits horizontal (azimuthal) anisotropy. An acoustic field is propagated through this waveguide using a 3D parabolic equation code based on differential operators representing wide-angle coverage in elevation and narrow-angle coverage in azimuth. Transmission loss is evaluated both for fixed time snapshots of the environment and as a function of time over an ordered set of snapshots which represent the time-evolving sound speed distribution. Horizontal acoustic coherence, also known as transverse or cross-range coherence, is estimated for horizontally separated points in the direction normal to the source-receiver orientation. Both transmission loss and spatial coherence are computed at acoustic frequencies 200 and 400 Hz for ranges extending to 10 km, a cross-range of 1 km, and a water depth of 68 m. Azimuthal filtering of the propagated field occurs for this environment, with the strongest variations appearing when propagation is parallel to the solitary wave depressions of the thermocline. A large anisotropic degradation in horizontal coherence occurs under the same conditions. Horizontal refraction of the acoustic wave front is responsible for the degradation, as demonstrated by an energy gradient analysis of in-plane and out-of-plane energy transfer. The solitary wave packet is interpreted as a nonstationary oceanographic waveguide within the water column, preferentially funneling acoustic energy between the thermocline depressions.     

二维圆盘颗粒体系声学行为的数值研究

数值测量了卸载过程中二维单分散圆盘颗粒系统的横波、纵波声速、声衰减系数、非线性系数随压强的变化以及声衰减系数随频率的变化.结果表明,二维(2D)圆盘颗粒体系的横波、纵波声速均随压强呈分段幂律标度:当压强P10~(-4)时,横波、纵波声速随压强的增大而减小;当P10~(-4)时,有v_t~P~(0.202),v_l~P~(0.338).进一步得到其剪切模量和体积模量的比值G/B也随压强呈幂律标度,G/B~P~(-0.502),暗示在低压强下,与三维(3D)球形颗粒体系类似,2D圆盘颗粒体系也处于L玻璃态.水平激励和垂直激励下2D圆盘颗粒系统的衰减系数随频率变化也呈现分段行为:当频率f0.05时,衰减系数不随f变化;当f0.05时,横波纵波的衰减系数α~f;当f0.35时,横波衰减系数α_T~f~2,纵波衰减系数α_L~f~(1.5).此外,竖直水平激励下的2D圆盘颗粒系统的非线性系数和衰减系数随压强也呈现与声速类似的分段规律:当P10~(-4)时,横波非线性系数β_T~P~(-0.230),其余都不随压强变化.当P10~(-4)时,两者均随压强增大呈幂律减小:β_T~P~(-0.703),β_L~P~(-0.684),α_T~P~(-0.099),α_L~P~(-0.105).进而得到2D圆盘颗粒系统中散射相关的特征长度?~*随压强呈幂律标度,当P10~(-4)时,?~*~P~(-0.595);当P10~(-4)时,?~*~P~(0.236).     

Gilbert damping in the layered antiferromagnet CrCl3

We theoretically and experimentally studied the Gilbert damping evolution of both acoustic and optical magnetic resonance modes in the layered flake Cr Cl;with an external magnetic field H applied in plane.Based on a Lagrangian equation and a Rayleigh dissipation function,we predicted that the resonance linewidth△H as a function of microwave frequencyωis nonlinear for both acoustic and optical modes in the Cr Cl;flake,which is significantly different from the linear relationship of△H-ωin ferromagnets.Measuring the microwave transmission through the Cr Cl;flake,we obtained theω–H dispersion and damping evolution△H–ωfor both acoustic and optical modes.Combining both our theoretical prediction and experimental observations,we concluded that the nonlinear damping evolution△H–ωis a consequence of the interlayer interaction during the antiferromagnetic resonance,and the interlayer Gilbert dissipation plays an important role in the nonlinear damping evolution because of the asymmetry of the non-collinear magnetizaiton between layers.     

浅海波导中折射类简正波的warping变换

Warping变换可以实现单水听器浅海低频声波导的简正波分离.本文讨论了海水声速随深度线性减小浅海波导中折射类简正波的warping变换.理论推导了海水折射类简正波水平波数、频域相位及瞬时相位的表达式,由此提出了相应的时域和频域warping变换算子,并由仿真数据进行了验证.本文的理论推导过程同样适用于海水声速线性增大或海水折射系数的平方随深度线性变化的浅海波导.     

Effect of shallow water internal waves on ocean acoustic striation patterns

Contour plots of underwater acoustic intensity, mapped in range and frequency, often exhibit striations. It has been claimed that a scalar parameter 'beta', defined in terms of the slope of the striations, is invariant to the details of the acoustic waveguide. In shallow water, the canonical value is β=1. In the present paper, the waveguide invariant is modelled as a distribution rather than a scalar. The effects of shallow water internal waves on the distribution are studied by numerical simulation. Realizations of time-evolving shallow water internal wave fields are synthesized and acoustic propagation simulated using the parabolic equation method. The waveguide invariant distribution is tracked as the internal wave field evolves in time. Both random background internal waves and more event-like solitary internal waves are considered.     

Effect of shallow water internal waves on ocean acoustic striation patterns

Abstract

Contour plots of underwater acoustic intensity, mapped in range and frequency, often exhibit striations. It has been claimed that a scalar parameter ‘beta’, defined in terms of the slope of the striations, is invariant to the details of the acoustic waveguide. In shallow water, the canonical value is β=1. In the present paper, the waveguide invariant is modelled as a distribution rather than a scalar. The effects of shallow water internal waves on the distribution are studied by numerical simulation. Realizations of time-evolving shallow water internal wave fields are synthesized and acoustic propagation simulated using the parabolic equation method. The waveguide invariant distribution is tracked as the internal wave field evolves in time. Both random background internal waves and more event-like solitary internal waves are considered.     

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