海洋声学中三维抛物方程非均匀网格模型

在海洋声学中,三维抛物方程模型可以有效考虑三维空间的声传播效应。然而,采用三维抛物方程模型分析三维空间内的声传播问题时,计算时间较长,并且需要消耗较大的计算机内存,因此给远距离声场的快速精确计算带来了很大困难。为此,将非均匀网格Galerkin离散化方法用于三维直角坐标系下的水声抛物方程模型中,深度算子和水平算子Galerkin离散方式由均匀网格变为非均匀网格。仿真结果表明,三维直角坐标系下非均匀网格离散的抛物方程模型,在保持计算精度、提高计算速度的同时,可以实现远距离声场的快速预报。另外,针对远距离局部海底地形与距离有关的三维声传播问题,给出了声场快速计算方法;在海底保持水平的区域,采用经典Kraken模型,重构抛物方程算法的初始场,随后依次递推求解地形与距离有关海底下的三维声场。采用改进模型,证明了远距离楔形波导声强增强效应。      

楔形弹性海底声矢量场分布规律研究

提出了基于弹性抛物方程的声矢量场计算方法,计算了楔形弹性海底的海洋环境中甚低频声矢量场和弹性海底地震波场分布,研究了声源深度和声源频率对声场分布的影响,仿真结果表明声波在具有弹性楔形海底的海洋环境中传播时存在能量泄漏现象,利用简正波理论解释了能量泄漏位置可由水深一波长比确定.     

三维浅海下弹性结构声辐射预报的有限元-抛物方程法

利用多物理场耦合有限元法对结构和流体适应性强、抛物方程声场计算高效准确的特点,提出了三维浅海波导下弹性结构声振特性研究的有限元-抛物方程法.该方法采用多物理场耦合有限元理论建立浅海下结构近场声辐射模型,计算局域波导下结构声振信息,并提取深度方向上复声压值作为抛物方程初始值;然后采用隐式差分法求解抛物方程以步进计算结构辐射声场.重点介绍了该方法对浅海下结构声辐射计算的准确性、高效性以及快速收敛性后,对Pekeris波导中有限长弹性圆柱壳的声振特性进行了分析.研究得出,当圆柱壳靠近海面(海底)时,其耦合频率比自由场下的要高(低),当潜深达到一定范围时,与自由场耦合频率基本趋于一致;在低频远场,结构辐射场与同强度点源声场具有一定的等效性,且等效距离随着频率增加而增加;由于辐射声场受结构振动模态、几何尺寸和简正波模式影响,结构辐射场传播的衰减规律按近场声影响区、球面波衰减区、介于球面波和柱面波衰减区、柱面波衰减区四个扩展区依次进行.     

深海海底山环境下声传播水平折射效应研究

声波在深海海底山环境中传播时,海底山会对声传播产生重要影响.2016年在南海深海进行了一次海底山环境下的声传播实验,观测到了由海底山引起的三维声传播效应,本文利用BELLHOP射线理论解释了海底山环境下的三维声传播机理.结果表明：声波在传播过程中与海底山作用后破坏了深海会聚区结构,导致传播损失增大,在海底山后形成具有明显边界的声水平折射区,利用二维声传播模型无法解释实验现象,海底山后声水平折射区实验测量的声场结构与N×2D模型计算结果存在明显差异,实验的传播损失比N×2D模型计算结果大10 dB.通过三维射线模型分析N×2D模型计算结果与实验结果存在明显差异产生的原因,发现由于声波水平折射作用,部分声线无法到达接收器,使得三维声传播效应对海底山后一定角度范围内声场影响较为明显.因此,深海海底山会引起明显的三维水平折射效应,应在水下目标探测和定位等应用中给予重视.     

南海海域跨海沟环境的声场会聚特性

利用南海北部海域的声传播实验数据分析了跨海沟条件下的声传播特性。结果表明:由于负梯度声速剖面和海底地形的共同作用,导致声能量在开始随着海沟深度变化向更深层位置上弯曲传播,传播损失在海沟中心位置附近达到最大。在海深逐渐变浅的距离上,由于海底反射使得声能量逐渐会聚,声传播损失比单纯陆坡变到深海环境下要减小20 dB以上。当会聚效果小于扩散和海底反射等引起的损失时,声传播损失达到最小,之后随着距离增大而增大;在海沟最后一段,当海深在8 km范围内从850 m突然变浅到311 m,声场能量逐渐会聚效果再次凸显,使得声传播损失减小10 dB。利用射线理论和抛物方程近似数值分析,解释了海沟环境下的由于地形变化引起的声场会聚传播特性。      

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.     

陆架斜坡海域上坡波导环境中声能量急剧下降现象及其定量分析

深度较浅的声源其辐射声波在陆架斜坡海域上坡传播时,在斜坡顶端会出现声能量急剧下降现象.利用射线声学模型分析了造成这一现象的原因,并根据抛物方程声场模型计算的深海和浅海平均传播损失定义了"声能量急剧下降距离",定量分析了声源位置对该现象的影响.结果表明:声源深度对"声能量急剧下降距离"影响较大,而声源与斜坡底端水平距离对其影响较小;当声源深度变大时,部分掠射角较小的声线最终能够达到斜坡顶端,致使"声能量急剧下降距离"增大,继续增加声源深度,将导致上坡声能量急剧下降现象消失.利用抛物方程声场模型对陆架斜坡海域上坡声传播进行数值仿真,结合"声能量急剧下降距离"的定义,计算并比较了声源位置不同时该距离的变化,数值计算结果验证了理论分析.     

由小斜率近似计算粗糙海面对空气声源激发的浅海声场的影响

采用一级小斜率近似方法处理空气声经粗糙海面透射至浅海中的声场问题。假定空气、海水和海底为三层均匀介质,将海水层中声场分解为下行波和上行波,导出了粗糙海面条件下下行波和总声场的小斜率近似表达式。导出的声场表达式可由快速傅里叶变换计算,但会出现混叠问题。为了减轻混叠影响,提出了引入额外介质吸收的计算方法。针对高度一维变化且频谱满足PM谱的起伏海面,采用蒙特卡洛仿真计算了相应的水下声场。结果表明,随着海面起伏均方根高度的增加,水下相干场强度减小而均方声压则略有增大。      

冬季冲绳海域地形及黑潮对声传播的影响

冲绳海域地形复杂且冬季存在较强的黑潮海洋锋,利用数值实验研究斜坡地形和海洋锋同时存在时由浅海至深海的声传播特性。海洋模式数值预报环境数据表明,分布于冲绳海槽斜坡上方的海洋锋导致该海域上层水体声速存在水平变化,纬度越高,水平变化越大。利用抛物方程声场模型计算声传播损失,通过简正模态分析存在表面声道的环境中声能量分布,利用声线轨迹图解释海底斜坡和海洋锋对声传播的影响。结果表明:声源频率低于表面声道截止频率时,声传播主要受海底地形影响;声源频率高于表面声道截止频率时,位于表面声道内的声源激发的声能量主要在表面声道传播,部分声能量从表面声道泄漏沿斜坡向深海传播,位于表面声道深度以下的声源激发的声能量主要沿斜坡向深海传播,斜坡地形导致表面声道下方至共轭深度这一深度范围呈现为声影区,海洋锋的存在可导致表面声道传播损失变化明显,影响程度与声源深度有关。     

沉积层声学特性对浅海低频声场分布的影响

已有对浅海低频水声场的讨论多是关注声能量在水体中的分布特性,对水体下沉积层、基底中低频声传播的同步研究相对较少。本文基于波动方程,在柱坐标系下推导了一种浅海水体/海底统一波导下低频声能流的计算模型,在此基础上结合具体仿真算例与波动理论阐述了不同沉积层声学参数对声场能量分布的影响规律及机理。仿真结果表明,在沉积层纵波声速>水中声速>沉积层横波声速的前提下,沉积层中密度与纵波声速数值越大,声能量越趋于保留在水体中而不向海底泄漏,横波声速的影响正好相反;沉积层厚度增加到一定量后,基底对流体层中声传播的影响可近似忽略不计。      

楔形海域中三维效应对声源距离估计的影响分析*

楔形海域中声传播会出现显著的三维效应,导致水平方向上特定接收位置的声信号出现模态多次到达或者模态影区。利用射线模型,首先对楔形波导中的传播损失进行计算,分析三维效应的存在对于声波传播的影响, 结果表明,随着距离的增加,水平折射效应愈加明显,所得的三维结果与利用二维模型计算所得相差逐渐增大。然后对比二维声场和三维声场中的接收波形,并对其进行模态分离,证明在某些接收位置将会出现明显的模态多次到达或模态影区。最后通过匹配全波解以及分离出的各号简正波所对应的脉冲波形进行声源距离估计研究,并分析三维效应对于声源距离估计结果的影响。结果表明,由于三维效应的存在,使用三维模型能够得到准确估计声源距离,而利用二维模型进行估计得到的结果与实际距离相差较多,总体上偏大。     

南海深海典型不平整地形对声场垂直相关性的影响

海底地形变化对深海环境下的声传播和空间相关性有重要影响。基于2014年南海中南部海域不完全深海声道条件下大跨度垂直阵接收的声信号,选取平坦海底和典型不平整(存在小海底山和海底斜坡)海底两个不同传播方向上传播损失差异较大的距离,对声场垂直相关性进行了对比分析,并应用射线理论对相关性差异予以定性分析和机理解释。在不平整海底方向,在第一影区内小海底山遮挡区附近:在部分一次海底反射声线被小海底山遮挡的距离处,接收声信号主脉冲多途干涉结构相对平坦海底方向更加简单,垂直相关性增强;而在全部一次海底反射声线被小海底山遮挡的距离处,对声场起主要作用的变为二次海底反射声线,接收声信号主脉冲呈现多途干涉结构,垂直相关性降低。在第一会聚区附近:平坦海底环境下,由于两组水体中反转声线在空间垂直方向上的干涉效应,使得声场的垂直相关随接收深度增加呈现出周期性振荡的现象;而不平整海底方向,在50 km处,海底斜坡阻挡了一组水体反转声线,在大深度上只出现单会聚结构,观测不到垂直相关的周期性振荡现象;在57 km附近对声场起主要贡献的成分从水体中反转声线变成了多次海底反射声线,主脉冲多途展宽变宽,垂直相关性显著降低。研究结果对深海复杂海底地形环境下声场垂直相关性的深入分析及声呐阵列增益估计等具有重要意义。      

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。      

大陆架低频声传播建模研究

在过去的几十年中大陆架斜坡海域的低频声传播得到越来越多的重视。针对爆炸声作为声源的一次海上实验测量数据,对大陆架海域的低频远距离声传播进行了建模研究。在实验过程中单水听器布放在水下大约240m处接收爆炸声信号,对两条不同测线的传播损失进行了处理。本文结合海底地声模型并考虑了声速剖面的水平变化,利用抛物方程方法对传播损失进行建模。模拟计算该海域的传播损失同实验测量数据相比具有较好的一致性。     

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。      

抛物方程的多重非均匀网格模型及其应用

提出了抛物方程的多重非均匀网格模型,以准确求解三维空间存在多辐射源的电波传播问题。通过对不同辐射源建立不同的坐标系,并对其仿真空间采用不同的非均匀网格划分,构建了抛物方程的多重非均匀网格模型。在此基础上,实现了三维多辐射源问题的并行计算。实例仿真了空间存在四个辐射源的电波传播特性。结果表明,抛物方程的多重非均匀网格模型能够准确求解多源的空间电磁场分布特性,且在该算例中,并行技术使得抛物方程的计算速度提升了2.41倍,极大地提高了抛物方程对三维多源问题的求解效率。     

管内声场计算的一种新的差分方法

本文提出一种新的计算管内声传播的差分方法。它采用MacCormack时间分裂显式格式,直接求解声压和声学速度的基本方程组,通过合适处理声学边界条件,成功地计算了三维矩形管内声场。文中还给出了全部计算格点的差分格式和稳定性条件。这种差分方法的特点是内存少,计算比较稳定,程序简单,调试方便。特别适合于三维声场计算。     

三维声场边界元法几乎奇异积分问题分析

以三维声场问题为例,提出一种准确计算高阶单元几乎奇异积分的半解析算法.首先分析高阶单元几何特征,构造近似几何量,然后应用扣除法,将奇异积分核函数分解为规则核函数与近似几何量表达的奇异核函数.规则核函数积分采用常规Gauss数值积分计算,奇异核函数积分采用半解析算法计算.给出三维声场内问题和外问题经典算例,计算了近边界点的声压,结果证明本文半解析算法的有效性和准确性.     

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。      

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.