孤子内波导致海洋环境噪声垂直指向性异常分析

依据近场波数积分、远场耦合简正波相结合的二维噪声场模型,侧重理论研究孤子内波所在扇区,环境噪声垂直阵响应的变化,分析了某些孤子内波情形下垂直阵环境噪声水平凹槽变深这一异常现象的原因:孤子内波离垂直阵较近时,远离内波的海面噪声源多,其激发的简正波能量由低号耦合到高号,在垂直阵处高号简正波能量对环境噪声场贡献增大,导致环境噪声水平凹槽加深;对于大尺度、多波包孤子内波,其范围相对较大,内波所在区的局部简正波本征值和本征函数产生的变化影响显著,使低号简正波衰减变快,而高号衰减慢,导致接收阵处高号简正波能量增加,低号简正波变弱,这样,无论孤子内波群靠近或离接收阵远,都将使垂直阵环境噪声水平凹槽加深。      

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.     

浅海内波影响下的波导不变量变化特性分析

针对浅海内波引起波导不变量变化的问题,利用声场波导不变量的概率分布并结合声场简正波的理论,研究了内波活动下波导不变量的时变性,给出了波导不变量变化的机理和规律.具体结论是,在负跃层波导中,声场的波导不变量的最大概率取值具有明显的频变特性.内波环境下,当声传播方向与内波波阵面平行时,接收声场简正波的幅度变化不大,但是简正波的相慢度差和群慢度差的变化却能引起波导不变量最大概率取值的变化;而当声传播方向与内波波阵面垂直时,内波引起的简正波耦合同样会导致波导不变量的最大概率取值的明显变化.     

单阶简正波宽带干涉特性与孤立子内波定位

为了分析孤立子内波(SIW)对声场干涉特性的影响以及由此监测SIW,我们采用抛物方程模型,分析了孤立子内波影响下简正波耦合带来的单阶简正波宽带脉冲序列的干涉特性;仿真了宽带脉冲信号穿过SIW时,单阶简正波接收脉冲序列随内波位置的变化情况,分析了它们的时空干涉特性和机理;基于耦合简正波理论,推导得到了内波位置和干涉条纹斜率之间的关系。仿真表明,这一关系式可以精确估计SIW距离,估计精度和稳定性比以往方法大大提升。此外,还根据单阶简正波干涉图样在频率上的周期性,推导了另一种估计SIW距离的方法,该方法具有更好的实时性。SIW-简正波干涉关系可用于改善声场定位,对于海洋学、海洋工程和海洋军事等方面具有重要价值。此外,该关系还可以拓展到其他的局部特性变化的探测,如金属探伤和海底地形突变定位等。      

孤立子内波引起的高号简正波到达时间起伏

在新泽西附近海域进行的浅海实验(Sw'06)观测到了大量的孤立子内波.利用SW'06海洋环境资料分析了有无孤立子内波存在时的脉冲声到达时间起伏.发现当孤立子内波出现时, 1号简正波到达时间较为稳定,而一些高号简正波到达时间比第1号简正波提前,且随着温跃层深度变化而起伏.经射线理论分析表明:由于孤立子内波出现,导致温跃...     

非线性内波存在下的浅海远程混响模型

研究了浅海非线性内波对远程混响场的影响。通过分析非线性内波活动引起声源到海底散射元以及散射元到接收点之间的声传播变化,给出了非线性内波引起远程混响强度变化的表示,建立了非线性内波存在下的浅海远程混响模型,数值计算了非线性内波运动引起远程混响强度的变化。理论和数值计算表明,非线性内波的活动能够引起远程混响强度的变化,在某些情况下会导致远程混响强度增强。通过讨论非线性内波引声简正波的耦合效应,给出了其引起远程混响强度增强的原因。      

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。     

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。      

耦合微扰简正波方法与孤立子内波

水平变化环境下声场简正波解的计算精度和效率取决于本地简正波的计算方法。提出一种完备的一阶微扰理论方法,并引入迭代算法,获得了本地简正波水平波数和本征函数的精确表达式。数值结果表明,改进后的微扰简正波方法得到的简正波水平波数和本征函数精度比前人方法更高,与KRAKENC计算结果吻合较好,而计算速度比KRAKENC快100倍。同时将微扰简正波方法与耦合简正波理论结合,应用到海水声速水平变化剧烈的孤立子内波群环境。数值结果表明,该方法计算得到的传播损失与COUPLE07在单次散射近似下的计算结果吻合较好,计算速度比COUPLE07快25倍,并将该方法在声场计算中的适用频率提高到了3 kHz。      

复等效深度耦合简正波模型

为了考虑海底地形随距离变化的非水平分层介质中割线积分对声场的贡献,提出了复等效深度耦合简正波模型。该耦合简正波模型由介质运动方程和连续性方程推导得到了耦合微分方程组,此方程组满足海底地形随距离变化情况下的边界条件且仅包含一个耦合矩阵,并通过引入复等效深度理论处理连续谱和离散谱之间的相互耦合。仿真计算表明,复等效深度耦合简正波模型提高了波导简正波本征值位于割线枝点附近情况下声传播损失的计算精度,充分考虑了波导简正波、非波导简正波和割线积分对声场的贡献,可快速而准确地计算非水平分层介质中的声场。      

浅海内波环境下声场时间相关特性

浅海内波是导致声场时间相关半径减小的一个重要原因.利用2015年南中国海声传播起伏实验,对比分析了线性内波以及孤立子内波环境下声场时间相关半径的统计特性.实验数据(175～225 Hz)表明,大振幅孤立子内波的存在极大地降低了声场的时间相关半径,声场时间相关半径从线性内波环境下的1～3 h,降低为孤立子内波环境下的小于...     

套管中模式波的响应特征

在固井质量评价中主要利用套管中模式波的幅度或衰减变化反映水泥的胶结状况,不同测井仪器在套管中激发的模式波的类型不同,研究套管中各模式波的传播特征和影响因素可充分挖掘测量数据的潜在应用价值。CBL和SBT等测井仪器在套管中主要激发拉伸波,类同于平板中的零阶对称Lamb波,水泥环封隔测井仪器的斜入射模式在套管中主要激发套管弯曲波,类同于平板中的零阶反对称Lamb波,垂直入射模式激发套管共振波,类同于平板中的高阶对称Lamb波。该文重点分析了这些模式波的衰减特征及其对微环的响应,套管弯曲波在套后耦合轻质水泥时对微环不敏感,但在套后耦合常规水泥或重水泥时,其衰减明显高于胶结良好的状况;拉伸波对微环的存在最为敏感;套管共振波对微环不敏感。     

线性密度分层流体中半球体运动生成内波的实验研究

在密度线性分布的分层流试验水槽中,对贴近侧壁面的半球体模型运动生成的内波进行了实验研究. 采用多通道电导率阵列,测量分析了拖曳模型产生内波的波形结构、垂向位移场及其相关速度等. 实验结果表明:半球体模型产生的内波可以分为两类,一类是由定常源激发的体积效应内波,另一类是由非定常源激发的尾迹内波,由前者转换为后者的临界内Froude(Fr)数是Fr_s =1.6;与球体模型实验比较,Fr_s约为球体的2/3,转换更迅速,界线更清 关键词： 分层流 半球模型 内波 尾迹     

固-固界面退化特性的超声反射评价方法

提出了一种基于有限宽超声束反射的固-固界面退化特性评价方法,从理论和数值仿真角度进行了分析和计算。将两固体界面间的薄层简化为界面弹簧模型,以界面法向和切向劲度系数表征界面的退化程度。通过数值计算求得有限宽超声纵波束在不同入射角和界面不同退化程度下的反射横波、反射纵波的镜面反射系数。进一步地,通过建立二维有限元模型,仿真研究了有限宽超声纵波束在给定入射角及界面不同退化程度下镜面反射系数的变化规律。结果表明,反射纵波和反射横波的镜面反射系数随有限宽超声纵波束的入射角及界面劲度系数的改变而变化,且存在镜面反射系数随界面劲度系数单调且敏感变化的入射角,据此可准确评价界面的退化程度。     

Korteweg-de Vries方程的准孤立子解及其在离子声波中的应用

应用推广的tanh函数展开法,给出了Korteweg-de Vries方程具有准孤立子行为的两组孤子-椭圆周期波解,其中一组为新解.推导了均匀磁化等离子体中描述离子声波动力学行为的Korteweg-de Vries方程,发现电子分布、离子电子温度比、磁场大小、磁场方向对离子声准孤立子的波形具有显著影响.     

具微结构地壳中非线性地震波的演化

非线性地震波在地壳中传播及演化规律的研究具有重要实际意义.利用有限差分方法, 对非线性地震纵波和横波在具微结构地壳中的演化过程进行了详细的数值模拟.结果表明,非线性地震纵波和横波在具微结构地壳中可以逐渐演化成一个孤立波或两个孤立波或孤立波列或消失.地震波的初始幅度、频散系数和体力因子对演化过程和结果都有重要影响.研究结果揭示了非线性地震波在一种微结构地壳中的演化规律,这有助于在理论上解释一些特殊地震波现象.     

内孤立波沿缓坡地形传播特性的实验研究

以南中国海东北部海域底部缓坡地形为背景, 在大型重力式分层流水槽中模拟了下凹型内孤立波沿缓坡地形传播过程中的浅化、破碎、分裂等现象, 利用分层染色标识方法和多点组合探头阵列技术对内孤立波沿缓坡地形演化特征进行了定性分析和定量测量. 实验表明: 浅化效应使内孤立波传播速度减小, 对大振幅内孤立波具有抑制作用, 对小振幅波具有放大效应; 浅化效应可导致内孤立波的剪切失稳及破碎, 还可导致大振幅内孤立波的分裂. 利用Miles稳定性理论可定性描述内孤立波沿缓坡地形传播时发生不稳定状态的位置, 实验结果与理论分析相符合. 关键词： 分层流 缓坡地形 内孤立波 不稳定性     

Periodic Semifolded Solitary Waves for （2＋1）-Dimensional Variable Coefficient Broer-Kaup System

Applying the extended mapping method via Riccati equation, many exact variable separation solutions for the （2＆1 ）-dimensional variable coefficient Broer-Kaup equation are obtained. Introducing multiple valued function and Jacobi elliptic function in the seed solution, special types of periodic semifolded solitary waves are derived. In the long wave limit these periodic semifolded solitary wave excitations may degenerate into single semifolded localized soliton structures. The interactions of the periodic semifolded solitary waves and their degenerated single semifolded soliton structures are investigated graphically and found to be completely elastic.     

广义色散Camassa-Holm模型的奇异孤子

引进一类广义色散Camassa-Holm模型，对其做奇异性分析.通过改进的WTC-Kruskal算法，证明该模型在Painlevé意义下可积，得到了它的一组Painlevé-Bcklund系统和Bcklund变换.应用Maple进行代数运算，得到了丰富的规则(regular)孤子和一类奇异(singular)孤子，扭结(kink)孤子,紧孤子(compacton)和反紧孤子(anti-compacton).特别地，推导出一类在扭结孤子的中间区域包含有一列周期尖点(cuspon)波的奇异结构.在这些规则的孤子系统的基础上，对可积广义系统应用Bcklund变换，得到三类奇异孤子，分别是具有驼峰结构的周期爆破波，具有爆破波结构的扭结孤子和紧孤子. 关键词： 广义Camassa-Holm 模型 周期尖点波 紧孤子 周期爆破波     

Fusionable and fissionable waves of (2+1)-dimensional shallow water wave equation

We investigate a (2+1)-dimensional shallow water wave equation and describe its nonlinear dynamical behaviors in physics. Based on the N-soliton solutions, the higher-order fissionable and fusionable waves, fissionable or fusionable waves mixed with soliton molecular and breather waves can be obtained by various constraints of special parameters. At the same time, by the long wave limit method, the interaction waves between fissionable or fusionable waves with higher-order lumps are acquired. Combined with the dynamic figures of the waves, the properties of the solution are deeply studied to reveal the physical significance of the waves.