深海海底斜坡环境下的声传播

海底地形变化对声传播具有很大影响,在南海深海区域海底斜坡环境下进行了一次声传播实验,实验显示倾斜海底环境下声传播损失出现了一些不同于平坦海底环境下的现象,分析并解释了海底地形变化对产生声传播差异的原因.结果表明,海底斜坡对声波的反射增强作用可使斜坡上方的声传播损失减少约5 d B.当声波第一次入射到达的海底位置有较小幅度的山丘(凸起高度小于1/10海深)时,海底小山丘即可对声波有反射遮挡作用,导致在其反射区特定传播距离和深度上出现倒三角声影区,比平坦海底环境下相同影区位置处的传播损失增大约8 d B,影响深度可达海面以下1500 m.而海底斜坡对声波的反射阻挡作用使得从海面反射及水体向下折射的会聚区结构消失,只剩下从水体向上折射的会聚结构.因此,海底地形对深海声传播影响较大,在水下目标探测和性能评估等应用中应予以重视.     

深海海底反射会聚区声传播特性

在深海声道条件下,海水折射效应会使得声场出现会聚效应;在不完全声道条件下,深海海底对声场具有重要影响.利用在中国南海海域收集到的一次深海声传播实验数据,研究了深海不完全声道环境下的海底反射对声传播的影响.实验观测到不同于深海会聚区的海底反射会聚现象,在直达声区范围内的海底地形隆起可导致海底反射会聚区提前形成,并使得部分影区的声强明显提高.由于不平坦海底和海面的反射破坏了完全声道环境下的会聚区结构,在60 km范围内存在两个海底反射会聚区,会聚区增益可达10 dB以上,同时在11 km附近的影区和51 km附近形成高声强区域.当接收深度与声源深度相同时,第二会聚区的增益高于第一会聚区.在第一会聚区内,随着接收深度的增加,声线到达结构趋于复杂,多途效应更加明显.使用抛物方程数值分析结合射线理论对深海海底反射会聚区现象产生的物理原因进行了分析解释.研究结果对于声纳在深海复杂环境下的性能分析具有重要的指导意义.     

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.     

深海不平海底对声场水平纵向相关性的影响

海底地形变化对与海底作用的声反射区声场空间相关性有重要影响。利用南中国海某深海海域的一次声学实验数据,对深海海底反射区的声场空间相关性进行了分析。实验观测到,在距离声源约29 km至35 km距离范围处,不平海底环境下的水平纵向相关性出现了一些不同于平坦海底环境下的振荡结构,利用射线声学理论分析并解释了这两种不同海底环境产生水平纵向相关差异的原因。结果表明,在深海平坦海底方向一次海底反射到达区,对声场起主要贡献的经过一次海底反射声线间的到达时间差随着水平距离的增加而逐渐减少,从而干涉叠加后的相位差在[0,2π]内发生周期性变化,导致该区域声场的水平纵向相关性随着间距增加呈周期性振荡现象;而不平海底方向的海底小山丘恰对一次海底反射声线的阻挡影响,不仅使得与平坦海底方向相同区域的声传播损失明显增大,而且由于相对更多的本征声线路径的复杂多途干涉,该区域水平纵向相关性不再呈现明显的振荡周期,相关系数也有所下降。研究结果对于分析在深海复杂海底地形环境下的声呐阵列探测性能具有重要意义。     

采用能量守恒和高阶Padé近似的三维水声抛物方程模型

为了充分考虑海底地形随三维空间变化的海洋环境中水平方位角耦合效应对声传播的影响,建立了一种三维柱坐标系下流体高阶抛物方程算法。该算法采用泰勒近似将二维方根算子分裂成一维方根算子,并采用分裂步进的高阶Pade近似将一维方根算子写成微分算子有理分式连乘的形式,进而应用Galerkin离散化方法来处理微分算子,最终将微分方程写成矩阵方程的形式;采用能量守恒近似来处理海底边界,以考虑复杂海底对于声传播的影响;采用交替方向隐式格式,实现了三维声场的步进计算。楔形和海底山等典型海域声场仿真计算表明,相比于已有的声场计算模型,三维柱坐标系下高阶抛物方程模型可以更加精确地计算楔形海域和海底山区域的三维声场,实现水平方位全空间声场计算。     

海洋声学中三维抛物方程非均匀网格模型

在海洋声学中,三维抛物方程模型可以有效考虑三维空间的声传播效应。然而,采用三维抛物方程模型分析三维空间内的声传播问题时,计算时间较长,并且需要消耗较大的计算机内存,因此给远距离声场的快速精确计算带来了很大困难。为此,将非均匀网格Galerkin离散化方法用于三维直角坐标系下的水声抛物方程模型中,深度算子和水平算子Galerkin离散方式由均匀网格变为非均匀网格。仿真结果表明,三维直角坐标系下非均匀网格离散的抛物方程模型,在保持计算精度、提高计算速度的同时,可以实现远距离声场的快速预报。另外,针对远距离局部海底地形与距离有关的三维声传播问题,给出了声场快速计算方法;在海底保持水平的区域,采用经典Kraken模型,重构抛物方程算法的初始场,随后依次递推求解地形与距离有关海底下的三维声场。采用改进模型,证明了远距离楔形波导声强增强效应。      

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。     

楔形海域中三维效应对声源距离估计的影响分析*

楔形海域中声传播会出现显著的三维效应,导致水平方向上特定接收位置的声信号出现模态多次到达或者模态影区。利用射线模型,首先对楔形波导中的传播损失进行计算,分析三维效应的存在对于声波传播的影响, 结果表明,随着距离的增加,水平折射效应愈加明显,所得的三维结果与利用二维模型计算所得相差逐渐增大。然后对比二维声场和三维声场中的接收波形,并对其进行模态分离,证明在某些接收位置将会出现明显的模态多次到达或模态影区。最后通过匹配全波解以及分离出的各号简正波所对应的脉冲波形进行声源距离估计研究,并分析三维效应对于声源距离估计结果的影响。结果表明,由于三维效应的存在,使用三维模型能够得到准确估计声源距离,而利用二维模型进行估计得到的结果与实际距离相差较多,总体上偏大。     

南海深海典型不平整地形对声场垂直相关性的影响

海底地形变化对深海环境下的声传播和空间相关性有重要影响。基于2014年南海中南部海域不完全深海声道条件下大跨度垂直阵接收的声信号,选取平坦海底和典型不平整(存在小海底山和海底斜坡)海底两个不同传播方向上传播损失差异较大的距离,对声场垂直相关性进行了对比分析,并应用射线理论对相关性差异予以定性分析和机理解释。在不平整海底方向,在第一影区内小海底山遮挡区附近:在部分一次海底反射声线被小海底山遮挡的距离处,接收声信号主脉冲多途干涉结构相对平坦海底方向更加简单,垂直相关性增强;而在全部一次海底反射声线被小海底山遮挡的距离处,对声场起主要作用的变为二次海底反射声线,接收声信号主脉冲呈现多途干涉结构,垂直相关性降低。在第一会聚区附近:平坦海底环境下,由于两组水体中反转声线在空间垂直方向上的干涉效应,使得声场的垂直相关随接收深度增加呈现出周期性振荡的现象;而不平整海底方向,在50 km处,海底斜坡阻挡了一组水体反转声线,在大深度上只出现单会聚结构,观测不到垂直相关的周期性振荡现象;在57 km附近对声场起主要贡献的成分从水体中反转声线变成了多次海底反射声线,主脉冲多途展宽变宽,垂直相关性显著降低。研究结果对深海复杂海底地形环境下声场垂直相关性的深入分析及声呐阵列增益估计等具有重要意义。      

浅海空气声入水传播特性分析

结合射线和波数谱积分方法,对空气声入水传播途径进行了分析,利用海上试验数据进行了比较检验。结果表明,在浅海环境中,对水下声场有主要贡献的空气声入水传播途径,主要是透射穿过海面边界的折射直达声以及后续的海底反射声途径,其中折射直达声途径的贡献主要集中在声源正下方附近区域,当距离较远时,由于声线扩展损失效应以及直达声影区两方面的限制,折射直达声传播损失显著增加,对接收声场起主要贡献的是可以到达更远水平距离上的海底反射声,包括海底海面多次反射声。     

负梯度水文环境下海山对声传播的影响

利用一次南海海山环境下的声传播实验数据,研究了负梯度水文环境下海底山对声传播的影响。针对实验数据中的传播损失异常,从射线声学角度给出了合理的解释,表明海底山的存在引起传播损失在距离上剧烈波动。在距离接收阵较近的7.6 km处,声源位于海山斜坡上,斜坡的反射使接收传播损失减小约8 dB,体现出斜坡增强特征。当声源位于海山后,海底山的遮蔽作用使23.8 km处的传播损失增加超过20 dB,不同位置处海山遮蔽效应的差异使传播损失随距离起伏。利用抛物模型对实验环境下的声传播进行了定量仿真,仿真传播损失同实验结果符合,验证了实验数据中海底山的反射和遮蔽作用。此外,对实验环境下海山的遮蔽损失进行分析,发现在不同声源位置处,海山遮蔽损失在特定频带上同频率对数具有线性关系。      

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.     

三维声传播模型BELLHOP3D的信息传递接口并行优化

近些年,我国对海洋不断深入的探索对复杂环境中声场的快速预报提出了越来越高的需求。BELLHOP3D是一种基于射线法的三维声传播计算模型,在海洋声学中应用十分广泛。BELLHOP3D的计算效率比其他常用模型高,但是仍然有非常大的提升空间。该文使用信息传递接口对BELLHOP3D进行粗粒度的并行优化,并行后的程序计算结果稳定可靠,并行效率高,更适合在实际应用中实现快速的声场预报。并行BELLHOP3D程序可以在https://github.com/nj-zyq/BELLHOP3D＿MPI.git下载。     

南中国海海域存在孤立子内波条件下的 声场统计特性*

利用南海浅海海域低频声传播起伏实验中获取的水文数据，结合二维平流模型重构出声传播路径上的动态声速场，使用蒙特卡洛方法研究了有、无孤立子内波经过声传播路径条件下的声传播损失统计特性，并与实验结果进行了对比分析。仿真和实验结果表明：当孤立子内波经过声传播路径时，声传播损失起伏剧烈；与“下发上收”相比，“下发下收”情况下传播损失的概率分布更加分散。     

Stepwise coupled mode scattering of ambient noise by a cylindrically symmetric seamount

The question of how underwater ambient noise, at low frequencies, interacts with seamounts is addressed. The vertical directivity of the ambient noise, with and without the seamount interaction, is of particular interest. The problem of ambient noise scattering by seamounts motivates the development of a numerical modeling procedure, based on stepwise coupled modes. The procedure is designed to analyze scattering from a cylindrically symmetric seamount. The stepwise coupled mode procedure is extended to more general boundary conditions and brought up to date in the process. An example, using the geometry of the Dickins seamount, suggests that the seamount removes energy from the steeply traveling ambient noise, for this case. The energy is not converted into angles near the horizontal; the energy is lost through bottom interaction and attenuation.     

声波水平折射引起水平位移椭圆极化和声能流水平偏转

针对矢量水听器测向的应用要求,研究了三维水声传播问题中水平折射对声矢量场特性的影响。理论分析表明,水平折射可使质点水平位移从线性极化转变为椭圆极化,同时引起声能流方向的水平偏转。声能流方向的水平偏转导致波达方向偏离目标水平方位,对目标水平方位估计造成误差。采用虚源法仿真了倾角为2.86°的楔形波导中的三维声矢量场,并给出了空间各点处由水平折射引起的单矢量水听器目标方位估计误差。结果显示,部分区域中由水平折射引起的目标方位估计误差可达10°以上。      

Frequency shifts of the sound field interference pattern in shallow water because of second-mode soliton-like internal waves

Numerical simulation is carried out to analyze the effect of an internal soliton of the second gravity mode on low-frequency sound propagation in an oceanic shelf region. The simulation is performed using the data of a full-scale experiment performed on the shelf of the South China Sea near Dongsha atoll, where the aforementioned solitons had been detected by stationary vertical thermistor arrays. The calculations take into account the effect of horizontal refraction of sound waves. It is assumed that a stationary acoustic track is oriented across the predominant propagation direction of internal waves. The results of simulation show that, when the soliton crosses the stationary track, some of the sound field modes are focused, whereas other modes are defocused. It is demonstrated that the soliton parameters can be adequately determined from the frequency shifts of the sound field interference pattern. However, such an estimate of the soliton parameters is only possible for a limited length of the stationary track for which the effect of horizontal refraction is sufficiently weak.     

The characteristic of sound propagation in deep water and underwater source localization in the direct zone

The multiple-path sound propagation in deep water is conducive to source localization of an underwater target.The transmission losses(TLs) and broadband pulse multiple-path propagation characteristics from a deep receiver is analyzed by using the experimental data from deep water area in the South China Sea(SCS).The results indicate that the width of the direct zone near the bottom of 4300 m water depth is about 30 km.The TLs in the direct zone near the bottom are much less than those in the shadow zone.It is meaningful for underwater sound source detection.Moreover,the time delay between the direct path and the bottomsurface-reflected path for a receiver near the bottom decreases monotonically with the source range.According to the linear relationship between the time delay of multipath and source range,a source localization method is presented to estimate the range of underwater target.The experimental results show that the estimated ranges are consistent with the global position system(GPS) measurements,and the mean square error of the estimation results is less than 0.28 km.     

A displacement-pressure finite element formulation for analyzing the sound transmission in ducted shear flows with finite poroelastic lining

In the present work, the propagation of sound in a lined duct containing sheared mean flow is studied. Walls of the duct are acoustically treated with absorbent poroelastic foams. The propagation of elasto-acoustic waves in the liner is described by Biot's model. In the fluid domain, the propagation of sound in a sheared mean flow is governed by the Galbrun's equation. The problem is solved using a mixed displacement-pressure finite element formulation in both domains. A 3D implementation of the model has been performed and is illustrated on axisymmetric examples. Convergence and accuracy of the numerical model are shown for the particular case of the modal propagation in a infinite duct containing a uniform flow. Practical examples concerning the sound attenuation through dissipative silencers are discussed. In particular, effects of the refraction effects in the shear layer as well as the mounting conditions of the foam on the transmission loss are shown. The presence of a perforate screen at the air-porous interface is also considered and included in the model.