起伏海面散射引起浅海声传播损失的统计特性与快速声场预报方法

基于海洋环境信息、起伏海面的小斜率近似和简正波模型,研究了浅海环境中不同季节起伏海面散射引起的声传播损失的统计特性,给出了海面散射声传播损失-风速拟合公式以及一种快速声场预报方法,可据此快速评估水下长期工作设备的工作性能。仿真结果表明,对于全年运行的水声设备,当传播距离超过10 km时,须考虑起伏海面散射对声传播的影响。起伏海面散射对声场的影响冬季大于夏季,在夏季负跃层环境中起伏海面散射对下发上收声场的影响大于下发下收声场。     

点噪声源在近程声场中传播损失的仿真研究

在分层介质条件下，用本征声线法仿真计算了点声源这距离噪声场的传播损失曲线，仿真结果表明，其传播损失不仅依赖于声速分布，海区深度，海底反射特性等环境条件，也依赖于声源及接收水听器的深度，声传播损失显著不同于球面波衰减规律，其传播损失率差别可达８ｄＢ，这表明在测量舰船目标的辐射噪声声源级时必要的声场校正测量是必须的。     

深海海底反射区声场的相干结构及其有源声呐估距

有源声呐在探测深海海底反射区的目标时,由于声线大掠射角弯曲且声速沿声线传播路径不断变化,造成了常规估距方法产生较大的误差。有效声速法是减小常规估距方法误差的有效途径,但由于需要预先计算空间每一位置点的\     

基于时空滤波理论的低频声场干涉结构研究

基于时空滤波理论, 采用相干函数、功率响应函数、扩展分布函数、双频函数四个系统函数较波导不变量更全面地描述了低频声场的相干结构. 理论分析、仿真研究和海试数据处理都验证了低频声场存在稳定的干涉结构, 当目标由远及近、又由近及远做匀速直线运动时, 相干函数(LOFAR图)的干涉结构为一簇类双曲线; 功率响应函数的干涉图表征了简正波群时延的差分, 体现了其频散特性; 扩展分布函数能反映LOFAR图上干涉条纹的斜率大小; 而双频函数能体现相慢度的差分. 各个系统函数均能特别突出干涉结构的某方面的特征, 各有特色.     

由小斜率近似计算空气声经粗糙海面透射至深海中的声场

采用一级小斜率近似方法处理空气声经粗糙海面透射至深海中的声场问题,导出了透射场及其相干分量的表达式。假定海面高度一维变化且频谱满足PM谱,采用小斜率近似方法计算了相应的透射场。对于空气中的线源,小斜率近似与积分方程方法结果一致。当水下测量点距离较远且深度较浅时,平均声强随海面均方根高度增加而增加至一极限值,相干声强则随海面均方根高度增加而一致减小。对于空气中的点源,小斜率近似计算表明,水下平均声强还依赖于测量点相对于声源的方位,而相干声强则与测量点的方位无关。     

利用宽带声场频率-掠射角干涉结构的深海直达声区目标深度估计方法

针对典型深海环境中宽带声源的深度分辨问题,通过研究深海声场随频率起伏的干涉结构与垂直线阵频域波束输出图中的干涉结构,给出一种直达声区内可区分多水下目标的宽带声源深度估计方法。该方法以近水面目标的射线声场模型为基础,推导出近海面宽带声源接收声场的波束输出表达式,阐明了频域波束输出图中干涉结构与声源深度的对应关系。然后利用改进的傅里叶变换方法将二维频域波束输出图映射到声源深度-掠射角度域,可实现声源深度信息的有效分离。最后开展了深海实验验证,利用垂直阵接收拖曳声源发射的宽带白噪声信号,拖曳声源深度计算结果与实测声源深度基本一致。数值仿真与实验结果均表明该方法可以在多目标复杂环境下准确估计出水下宽带声源的深度。     

声学滑翔机联合的深海水下声源定位

为了验证多台滑翔机用于声源位置估计的可行性,提出了一种基于声学滑翔机的联合水下声源定位方法。首先利用水下滑翔机在东印度洋北部海域获取的声传播数据,分析了宽带脉冲信号的多途传播特性,然后提出了利用单水听器基于脉冲波形结构匹配的声源距离估计方法,在此基础上通过两台水下声学滑翔机联合定位的方式,实现了水下声源距离和方位的同步估计。结果表明:在印度洋深海非完全声道条件下,在100 km范围内,使用单台滑翔机估计的声源距离整体较为准确,但仍有估计误差较大点;联合两台滑翔机进行水下声源定位可进一步提高精度,对于200 m深度的声源,距离估计均方根误差为2.5 km,相对误差小于4%,方位估计均方根误差为2.4°。     

深海上层声速剖面水平非均匀分布对声场会聚区特性预报的影响

针对深海上层声速剖面水平方向弱变化对声场会聚区特征的影响,通过对0°出射声线传播轨迹的分析,提出了只考虑声源及会聚区位置附近声速剖面水平变化实现深海声场会聚区特征准确预报的方法,该方法有助于降低深海声传播调查时声速剖面水平非均匀分布的测量工作量。通过模拟小振幅内波引起深海上层声速剖面水平非均匀变化,对该方法进行了仿真验证。南海声传播试验数据分析表明,当不考虑上层声速剖面的水平非均匀分布时,模型预报的声场会聚区位置及会聚区能量分布与实测结果有一定差异,该差异具有距离累积效应,到第二会聚区时位置累计误差可达3 km,当考虑会聚区宽度内声速剖面水平变化时,模型预报的声场会聚区位置与实测结果非常吻合,第二会聚区位置预报误差小于1 km。     

A modified warping operator based on BDRM theory in homogeneous shallow water

In this paper, a modified warping operator for homogeneous shallow water based on the Beam-Displacement Ray-Mode (BDRM) theory is presented. According to the BDRM theory, the contribution of the beam displacement and the time delay to the group velocity can be easily considered in a shallow water waveguide. A more accurate dispersion formula is derived by using the cycle distance formula to calculate the group velocity of normal modes. The derived dispersion formula can be applied to the homogeneous shallow water waveguide. Theoretically, the formula is related to the phase of the reflection coefficient and suitable for various bottom models. Furthermore, based on the derived dispersion relation, the modified warping operator is developed to obtain linear modal structures. For the Pekeris model, the formulae for the phase of the reflection coefficient are derived in this work. By taking account of the effect of the bottom attenuation on the reflection coefficient, the formula for the phase of the reflection coefficient including the bottom attenuation is obtained for the Pekeris model with a lossy bottom. Performance and accuracy of different formulae are evaluated and compared. The numerical simulations indicate that the derived dispersion formulae and the modified warping operator are more accurate.     

有限长线声源斜面声场分析

为了进一步研究有限长线声源的声场特性,完善有限长线声源声场理论,建立了有限长线声源斜面声场的模型,提出了其理论计算方法。基于仿真结果和数据分析,探讨并得到了有限长线声源斜面声场特性的三个参数与斜面声场特性之间的关系。通过调整斜面倾角α、交点的位置r0以及有限长线声源的长度L,可以有效改善斜面声场的分布。     

基于声场复现的有源噪声控制支撑技术*

有源噪声控制是一种有广泛用途的低频噪声控制技术,目前已在部分场合取得商业化应用,然而该技术的大规模应用仍然面临诸多困难,声场复现技术为解决其中的关键问题提供了有效手段。该文论述了声场复现的两种实现方式(声场重构和声场再现)的基本原理、国内外现状及其在有源控制技术开发中的应用,尤其是基于声压匹配法的初级声场重构、基于球阵的声场再现以及电声器件布放优化设计。     

海洋波导中目标声辐射场的计算方法

针对海洋波导中目标声辐射场的计算问题,提出了一种基于波叠加法并在近、远场采用不同水声传播模型的建模方法,可以将近、远场作为一个统一的系统进行高效地分析。该方法通过给定的已知表面振动速度的结构计算出目标内部虚拟点声源的源强,再配合在相应的水声环境中点声源传播模型的Green函数计算出结构外的声辐射场。以Green函数为纽带,在求源强和计算近场声辐射场时采用镜像虚源法,而在计算远场声辐射场时采用简正波法。通过该方法得到的有限水深波导中声速剖面为正梯度、负梯度、负跃层的3种情况下的脉动球、刚体摆动球的声辐射场计算结果与COMSOL的有限元计算结果进行对比,结果表明了该方法在提高计算效率的同时保证了计算精度。     

高斯射线束法在深海声源定位中的应用

在深海匹配场(Matched Field Processing-MFP)声源定位中,拷贝场模型的计算精度和速度对声源的定位效果和定位效率有着直接的影响。针对这一问题,本文数值仿真研究了深海匹配场定位中采用高斯射线束理论作为拷贝场计算模型的可行性。高斯射线束理论具有计算速度快,物理意义清晰,并且适合并行化处理等优点。文中利用不同水文环境、不同频域范围的大量仿真实验来证明该模型的适用性。结果表明,高斯射线束模型在深远海的声源定位中有很好的定位精度,并且在较低频段同样有效,可以作为深远海声源定位的拷贝场计算模型。     

Fast prediction of scattered sound field based on Fourier diffraction theory under second-order born approximation

The directional pattern of sound waves scattered from an object insonified by a plane wave can be efficiently predicted using the Fourier diffraction theorem (FDT). This is achieved by sampling a circle in the discrete Fourier transform of the object/medium distribution. However, the FDT-based approach under the first-order Born approximation is only applicable to weak scattering. To improve the prediction accuracy and expand the method’s scope of applications, we introduce a second-order correction term to the solution, which is obtained by taking the first-order scattered waves as secondary incident sources, and calculate the “scattering” in the same way as in the first-order FDT-based approach. Adding the resulting correction term to the directional pattern based on the first-order Born approximation, the second-order prediction is obtained. Numerical results show that the proposed method can provide improved directional patterns of the scattered waves, and the range of applicability is significantly expanded.     

Three dimensional active sound field cancellation

In this paper, a novel method for Three dimensional active sound field cancellation is proposed. The optimum sound cancellations in different situations may be obtained. An array whose elements lie on a set of rings placed on the surface of a scattering object is considered as the device. It is quite possible to cancel the scattered sound field to any arbitrary level over either the whole space or a partial area of interest, as long as the number of the array elements is sufficient.     

预测声屏障插入损失的抛物方程法及其初始声场研究

Salomons建立的抛物方程(CNPE)方法可以预测非均匀环境中的声屏障插入损失。但是该方法在声屏障与声源距离较近时会产生较大误差。文中通过理论分析发现产生该问题的原因在于CNPE方法所使用的Gauss初始场仅适用于小仰角(10°以内)范围内的声波。为解决Gauss初始场引起的问题,推导了可以用于较大仰角声波的更高阶数的Gauss初始场。通过数值仿真对比了不同阶数的初始场在CNPE方法中的效果。结果表明:4阶初始场是最适合CNPE方法的初始场,将该初始场与CNPE方法相结合,可以准确预测当声屏障与声源距离较近时的插入损失.     

基于近场声全息的圆柱壳体内部声场重构效果的影响因素

在Neumann边界条件下基于近场声全息原理(NAH)重构了两端封闭的有限长圆柱壳体内部声场,计算出的结果与基于模态叠加法构建的内部声场进行比较,证明了重构方法的正确性,然后分别讨论了激励频率和全息面选择对NAH重构声场精度的影响以及重构面上不同位置的重构效果。