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。     

浅海表面声道中的简正波声场

本文讨论简谐点源在浅海表面声道中的声场,给出简正波的近似解。假定海水声速随深度单调增加,利用在反转点连结的WKB近似,导出简正波极点方程与振幅函数的近似表式,得到简正波的群速与指数衰减系数。这些表式形式上都很简单,物理意义清楚,并便于计算对于两个具体例子分别计算了近似解与精确解的数值,比较结果表明,近似解具有一定的准确性。     

水下声道中的平滑平均声场

本文利用广义相积分近似克服了经典的WKB近似在反转点发散的困难,获得了水下声道中平滑平均声场的一般表式。对双直线型声道作了详细的讨论,改进了的结果。     

浅海中的混响衰减

本文定义混响衰减作为描述浅海混响的基本物理量。对不同的声速剖面和海底散射模型，分别用射线方法和ＷＫＢＺ简正波方法（考虑和不考虑复本征值的影响）计算了混响衰减随时间（距离）的变化。数值模拟结果表明复本征值的影响不能忽略，在中等距离上按射线方法计算的混响衰减与考虑了复本征值影响的ＷＫＢＺ方法计算结果相一致。负跃层浅海中的实验结果表明混响衰减与源和接收器的深度有关，但与带宽无关。理论预示的混响强度的几何平均规律也从实验得到了证实。     

An Efficient Three-Dimensional Coupled Normal Mode Model and Its Application to Internal Solitary Wave Problems

We present an efficient three-dimensional coupled-mode model based on the Fourier synthesis technique. In principle, this model is a one-way model, and hence provides satisfactory accuracy for problems where the forward scattering dominates. At the same time, this model provides an efficiency gain of an order of magnitude or more over two-way coupled-mode models. This model can be applied to three-dimensional range-dependent problems with a slowly varying bathymetry or internal waves. A numerical example of the latter is demonstrated in this work. Comparisons of both accuracy and efficiency between the present model and a benchmark model are also provided.     

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.     

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