频散、声场干涉结构、波导不变量与消频散变换

针对浅海环境中利用单深度接收信号自相关函数的Warping变换方法测距时易出现的多值性问题, 提出一种双深度Warping变换融合测距方法。该方法将双深度测量场的Warping变换提取结果与具有深度差异的拷贝场本征函数信息融合, 判别简正波干涉项模态, 提高测距的准确度。此外, 针对实际海洋环境中测量场Warping变换特征峰位置难以准确提取的问题, 将Warping变换的频率不变性与图像形态学方法结合以增强特征频率结构, 提高后续测距的稳健性。海试数据处理结果显示, 测距结果与实际距离符合较好, 表明所提方法具有实际可行性。

     

A review of research progress in air-to-water sound transmission

International and domestic research progress in theory and experiment and applications of the air-to-water sound transmission are presented in this paper. Four classical numerical methods of calculating the underwater sound field generated by an airborne source, i.e., the ray theory, the wave solution, the normal-mode theory and the wavenumber integration approach, are introduced. Effects of two special conditions, i.e., the moving airborne source or medium and the rough air-water interface, on the air-to-water sound transmission are reviewed. In experimental studies, the depth and range distributions of the underwater sound field created by different kinds of airborne sources in near-field and far-field, the longitudinal horizontal correlation of underwater sound field and application methods for inverse problems are reviewed.     

Effect of Source＇s Height on Air-to-Water Sound Transmission with a Small-Scale Rough Sea Surface

A self-consistent perturbation approach is presented/or analyzing the effect of theairborne source＇s height on the air-to-water sound transmission in shallow water with a randomly rough sea surface. It is shown in early researches that, in shallow water with a smooth sea surface, the airborne source＇s height mostly affects the phase of the sound field and barely influences the amplitude. However, in shallow water with a rough sea surface, few researches about such a problem have been published. In this work, the sound fields in shallow water with a randomly rough sea surface induced by an airborne source at different heights are calculated by a seff-consistent perturbation approach. The numerical simulation results show that the fluctuation of the scattered field decreases as the source＇s height increases, in contrast, the averaged energy of the total field is hardly influenced by the source＇s height in the statistical sense.     

西北太平洋副热带模态水区域声传播特性*

西北太平洋副热带模态水(STMW)是在西北太平洋夏季出现的温跃层中温度、盐度和密度具有垂向均一性的水团。由于西北太平洋副热带模态水(STMW)的存在,深海声速剖面呈现出双跃层结构,对深海远程声传播产生较大的影响。本文对比分析了西北太平洋副热带模态水(STMW)区域夏冬两季典型声速剖面环境下的声传播规律。分析结果表明,夏季声速剖面环境下,声源位于浅层声道宽度内时,声传播为浅层声道的类深海声道传播与会聚区传播的复合形式。掠射角较小的声线被限制于浅层声道中,增加了会聚区内的到达结构,并且增强了在影区的声能量,在第二影区内的传播损失比冬季声速剖面环境下最多低近60dB。本文推导了浅层声道的截止频率的近似表达式,分析结果表明,截止频率主要由浅层声道的宽度和正梯度段的声速差值决定,夏季STMW区域浅层声道截止频率主要集中在100Hz左右。     

空气中声源激发水下声场的水平纵向相关性

声场的空间相关特性是声场的重要特征,对水下探测、水声通讯等各种设备在实际海洋环境中应用的参数选择具有重要意义,是水声工程技术研究的重要基础之一。相比于水中声源激发声场的相关特性研究,空气中声源的相关研究很少。本文推导了空气中声源激发水下声场的水平纵向相关的简正波表达式,并通过数值仿真分析,比较了声源分别位于空气中和水中时水下声场的水平纵向相关特性。对南海海域进行的一次悬挂汽笛空气声源、海底水平阵接收信号海上实验获得的数据进行分析,结果表明:空气中声源位于不同距离时,其发射的声信号激发水下声场的水平纵向相关均存在明显的起伏结构,基于本文提出的空气中声源激发水下声场的水平纵向相关系数的简正波表达式能够较好地解释该现象.     

空气中声源激发浅海水下声场传播特性的实验研究

为了获得空气中远距离声源激发水下声场的精细结构,2013年3月,声场声信息国家重点实验室在南海海域进行了一次空气中声源激发水下声场的实验。采用汽笛作为空气声源,海底放置水听器作为接收,在实验过程中,发射船由距离水听器2.4 km处行驶至9.8 km。本文对该次实验数据进行分析,获得了收发距离远达9.8 km、频率分别为128 Hz和256 Hz的声传播损失曲线,该曲线随传播距离变化存在清晰的震荡结构.利用波数积分方法计算实验环境下的水下声场理论值,并对获得的声场传播特性进行了较好的物理解释。     

西太平洋远距离声传播特性

声信号在海水中能够传播上千千米,远距离声传播与近距离声传播的特性不同.本文利用西太平洋声源与接收最远距离近2000 km的水声实验数据,对实验海区的海洋环境信息、实验使用的接收垂直阵信息进行处理,分析大洋完全声道环境下,远距离声传播能量衰减规律和多途到达结构特性.在远距离传播能量衰减规律方面,随着传播距离增大,海水吸收对声能衰减的作用凸显,海水吸收系数的选取对声场能量预报的准确性至关重要.较低频信号海水吸收较小,中心频率100 Hz的声信号,传播距离从1000—2000 km,传播损失仅增大6 dB左右.深海声道远距离声传播多途到达结构特性方面,实验海区温跃层声速较高,使得到达接收点的本征声线数目更多,多途到达结构更复杂,海面反射声线形成的到达结构处在整体到达结构的靠前位置,且能量相对较强;受西北太平洋副热带模态水的影响,声速剖面存在双跃层结构,导致部分声线到达接收点的时间较早,多途到达结构在时间轴上的长度延长.