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。     

负跃层浅海中的脉冲声传播 *

利用具有波束位移的射线-简正波脉冲理论,计算了在典型的负跃层浅海中不同深度、不同距离和不同频率的带限信号波形,与实验中观察到的波形结构一致.在充分获得环境参数的条件下,浅海中信号波形的数值预报是完全可能的.     

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.     

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.     

水下声道中的反转点会聚区(Ⅰ)简正波理论

本文用简正波方法讨论水下声道中反转点会聚区的声场。理论分析表明,反转点会聚区声场由大量的简正波同相叠加而成。在一定条件下,反转点会聚区的声强按r~(-2)衰减,会聚增益与会聚区号数无关,会聚区宽度与会聚区号数成正比,这些理论结果与Hale的实验一致。 在双直线声道情况下,会聚增益为此处a_1是相对声速梯度,k_0是波数,(h_0—z)是声源至声道轴的距离。 应用反转点会聚区的理论来分析水池模拟实验的结果,计算得到的表面声道中会聚区的位置、会聚增益以及会聚区宽度与实验结果一致。     

SPATIAL COHERENCE AND TEMPORAL STABILITY OF THE LONG-RANGE SOUND FIELD IN SHALLOW WATER

The spatial coherence and temporal stability of long-range sound field in shallow water by usingexplosive sources are presented.A experiment was conducted in shallow water with depth of 38 m,the source and receiver depths were 7 m and 6 m,respectively,the longitudinal space correlationabove the thermocline was measured.Another was conducted in shallow water with depth of 60 m,the sources were at 25 and 30 m,and the receiver was at 25 m,the transverse,longitudinal and timecorrelations below the thermocline were measured.The experimental data show that strong spatialcoherence and temporal stability are present in the long-range sound field.     

识别与提取简正波的一种简化方法

本文提出了一种识别与提取浅海简正波的简化方法。海上实验时我们利用同一个水听器,在不同深度接收固定距离上的爆炸信号,实验室回放时爆炸声信号经高频(8kHz)与低频(<0.8kHz)带通滤波,并用高频信号作为低频信号时间采样的起点。理论与实验表明,这样得到的不同接收深度的低频信号相当于一个垂直水听器阵接收的结果。对不同接收深度的低频信号分别按简正波本征函数或按本征函数的符号加权相加,较好地分离出前二号简正波。     

理想负跃层浅海中脉冲波形的理论分析

随着信号处理技术的发展，对信道传输特性的研究与利用日益受到重视。多途传输是水声信道的基本特征。在典型的负跃层浅海实验中早已观测到脉冲信号具有规则的多途结构，用射线理论可以定性地解释所观测到的脉冲多途结构，但射线理论不能精确地获得脉冲的相位与幅度信息。本文利用具有波束位移的射线－简正波（ＲＭＢ）理论，计算了理想负跃层情况下带限信号的波形。为了检验本文方法的计算精度，我们用ＭＯＡＴＬ简正波算法计算了同一问题。比较表明，两种方法的计算结果是一致的，但本文方法的计算速度至少高两个数量级。研究表明，在跃变层情况下波束位移对于波形结构的计算起着关键作用。本文的结果进一步证明了具有波束位移的简正波衰减公式的正确性。利用本文方法研究了收发深度、距离、信号频率及海底参数对脉冲波形的影响。     

负梯度深海中的反转点会聚区

文献[1]给出的水下声道中反转点会聚区的理论较好地解释了深海声道的实验结果,并指出表面声道中亦存在反转点会聚区,后者已为模拟实验所证实。根据反转点会聚区理论,我 们预计在负梯度情况下从海底反射的声波也可能形 成反转点会聚区;为此我们在深海条件下进行了实 验,实验结果证实了理论预计。     

浅海平均混响强度的简正波理论

本文用简正波方法导出了浅海远程混响强度的一般表式,该式对较广泛的一类声速剖面、海底反射与散射系数皆适用。由于考虑了复本征值对简正波入射场的影响,所得结果比以往的混响场简正波理论有较大的改进。所得出的平均混响强度的表式物理意义清楚,形式简单,便于进行数值计算与解析讨论。作为例子,文中分析了负跃层浅海中平均混响强度的衰减规律。计算表明,当声源与接收器皆位于跃变层之上时,远程混响强度与r~-5成正比。