基于BDRM理论的深海声场快速预报研究

深海存在深海声道和双轴声道两种典型环境，WKBZ简正波方法已实现了深海声道中声场的快速准确预报，而对于双轴海洋声道则存在一定的误差。本文在WKBZ本征函数的基础上，推导出了参考界面相位修正的一致表达式，并将浅海声传播的波束位移射线简正波（BDRM）理论应用于计算双轴海洋声道中的声场，进行了数值模拟并与传统简正波方法进行比较，结果表明应用BDRM理论计算的传播损失具有很高的精度和速度。     

水平不变海洋声道中的WKBZ简正波方法

本文利用本征函数的ＷＫＢＺ近似和海面相移修正发展了一种新的计算海洋声场的数值方法，该方法具有形式简明、易于计算、精度满足实用要求的优点．本文给出了ＷＫＢＺ方法应用于北太平洋声道中声传播的一些数值结果，这些结果表明该方法是一种计算分层海洋声道会聚区声场的快速而精确的数值方法．     

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。     

水下声道中脉冲传播的WKBZ简正波方法

本文将ＷＫＢＺ简正波方法应用于水下声道中的脉冲能量和波形传播。文中分别给出在两种不同水下声道中的数值结果，并与精确简正波数值解进行了比较。数值模拟结果表明，ＷＫＢＺ简正波方法能精确地计算水下声道中脉冲声信号的波形，计算速度比传统的简正波方法提高近两个数量级。     

南海深海声道中反转点会聚区的实验研究

本文介绍了1983年10月在南海深海声道中进行的一次综合性爆炸声传播实验的结果,目的在于研究水下声道中反转点会聚区的特性。用反转点会聚区的渐近理论以及P-E法对声场进行了计算,实验得到的会聚区位置及会聚增益与计算结果很好符合。     

北极冰下双轴声道传播特性研究

本文利用第六次北极科学考察的所得的楚科奇海温盐深数据,开展了北极海域声传播特性研究。通过引入Diachok海冰散射模型,将海冰界面模拟为无限椭圆形半圆柱体在自由界面的随机分布,利用Twersky散射理论计算了海冰的反射系数。使用简正波中的KRAKENC模型,结合海冰参数,进行了传播损失仿真分析。研究表明,北极的双声道波导中表面声道的传播特性与声源频率和收发深度紧密相关。深海声道与北极典型声速结构的传播特性一致,具有频率选择特性,在20 Hz左右时传播特性较为理想。此外,在远程传播时,深海声道的传播特性要优于表面声道。     

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。     

地球曲率对远距离声传播的影响

对于远程声传播问题,地球曲率的影响不可忽略.为分析地球曲率对远距离声传播的影响,本文提出了一种地球曲率影响下环境参数的修正方法,该修正方法无需改动现有声场计算模型,具有可移植性好、计算简便的特点.典型环境下的仿真结果表明,由于地球曲率的影响,在会聚区传播中,会聚区的位置向声源方向偏移,会聚区移动随着距离变换近似为线性关系, 1000 km距离上偏移可达10 km;而深海声道传播中,到达结构在时间轴上整体前移,并伴随着在深度和时间轴上的扩展,影响均随着传播距离的增加而逐步增大,1000 km距离上整体前移的幅度可达136 ms.     

涌浪条件下的浅海表面声道脉冲声传播*

在冬季,海水表面受到海面强风的影响,普遍存在表面声道。当声源位于表面声道中并且声源频率高于表面声道的截止频率时,声能量几乎被完全限制其中,不与海底作用,十分有利于声传播。但当表面声道上边界为较大涌浪所形成的粗糙界面时,这种优良性能会被破坏。在南海北部陆坡海区的一次冬季实验中,发现表面声道以下水听器接收到的首个脉冲的幅度明显增加,通过研究表明,其原因是：存在较大涌浪时,部分表面声道内传播的声能量,经粗糙海面反射作用后进入下层水体中,使得位于表面声道以下的水听器的第一个到达的脉冲幅度增强。     

在波导中换能器随机搖摆对声场起伏的影响

当换能器在不均匀分布的声场中摇摆时,接收到的信号随时间发生起伏.本文得到了在波导传播中的无方向性点源的平均声压、平均强度和声信号振幅的起伏率.并对表面声道中起伏率随距离的变化作了数值计算.     

浅海涌浪对表面声道声传播的影响

受海面强风和海-气相互作用影响,表面声道普遍存在于冬季海洋环境中,是一种天然有利于声传播的波导.但是海面波浪使得海表形成粗糙界面,会严重破坏这种优良性能.本文利用南海北部海区的一次冬季声传播实验数据,研究表面声道声传播特性.研究表明,海底底质对表面声道内声传播的影响较弱,当海面风较小时,涌浪造成的影响为主要原因.实验数据显示,考虑涌浪后的粗糙海面给70km远处带来了10dB的传播损失增长.因此在考察南海北部海区冬季声场特性时,不仅要考虑海面风浪的影响,更需要考虑周围海域传来的涌浪的影响.研究涌浪存在时的声传播特性对提升声纳设备在海况较差时的使用性能具有重要意义.     

声速剖面对深海远程声脉冲结构的影响

利用东印度洋和南海海域进行的深海远程声传播实验数据,比较分析了声道轴附近深度发射的声信号在两个海域不同声速剖面结构下的远程传播损失和脉冲时间到达结构。通过对比观测发现,两海域的深海声传播损失特性存在一定的差异,声脉冲时间到达结构差异性显著。首先,在东印度洋实验中观测到潜标垂直阵同一接收距离上,靠近声道轴传播的声能量较大,且声道轴附近声速较小但沿其传播的声信号却最先到达,而偏离声道轴传播的声信号延后到达,在整个接收深度上呈现出声道轴附近接收波形早于其他深度到达的分支结构,这与南海典型深海环境下的脉冲时间到达结构存在显著差异。其次,结合深海声道的参数化数学模型,分析了声速剖面对远程脉冲传播时间到达结构的影响机理,并理论解释了两个海域实验中观测到的脉冲声信号时间到达结构现象,其形成原因在于深海声道中决定声速剖面结构的声道轴系列参数的差异。该研究结果对通信声呐在不同海域深海远程环境下的应用具有一定的参考意义。     

声海洋学

在二次世界大战中和战后,声学与海洋学结合很紧密,如海洋生物噪声、深水散射层、水下声道等声学现象,都在海洋学研究中找出根据。声在海洋中能传播很远,因此公认声学方法是测量和监视海洋的有力工具。但后来两者有些脱节。水声学中经常发现20分贝以上的起伏现象,但海洋学关心的主要是大尺度和长时间的过程。两个学科各走自己的路,这对两个学科都很不利。海洋学主要关心大尺度现象,而忽视了含有99％动能的中尺度和小尺度的现象,而水声学则发明了自己的海洋,引入均匀各向同性的湍流的概念。起伏现象用一个冻结的     

分层海洋介质中本征声线的快速计算

本文提供一种在恒定水深的水平分层海洋中快速计算本征声线的方法，该方法引入声线跨度的概念，将本征声线分解为若干声线跨度的组合，并以声线常数为自变量建立声线组合方程。利用牛顿下山法迭代求解该方程得到本征声线，极大地提高了计算效率，给定海深，声剖面，声源距离、深度及接收器深度等参数时，应用本方法可计算出若干条本征声线的出射角、到达接收位置时的入射角和传播时间。若附加声源的辐射频率和海底底质等信息，还可     

涡旋中的简正波相速度、群速度和干涉距离的变化

采用声道相积分近似表示的频散方程，并把涡旋（或水团）的作用认为是对声道的一种扰动，讨论无扰声道、冷核和热核涡旋扰动对声传播特性的影响．根据频散方程的解，给出涡旋中的简正波相速度、群速度和干涉距离与涡旋强度的关系．当平面声波（入射掠角α）向热核涡旋（核心强度BM）的中心推进时，只要sin2α＜BM＜2（1－cosα），则声道创面将出现“双声道现象”，并使简正波相速度和干涉距离发生与冷核涡旋完全不同的异常变化．     

马铁菊头蝠声道声学特性的数值分析

采用有限元数值计算得到了马铁菊头蝠声道内部的声场分布,给出了马铁菊头蝠声道内几种特殊的腔体结构在蝙蝠发声过程中的作用。通过微型CT扫描并经过三维重构得到了马铁菊头蝠声道的三维立体模型用于有限元数值计算,通过在声门处放置单位声源计算得到了整个声道内部以及鼻孔周围的声压分布。结果表明,马铁菊头蝠声道包含了鼻腔结构后声波在声门上方的声压幅度明显大于不含鼻腔结构的情况,从传输曲线来看,声门上方鼻腔的存在使得系统对声波传输在二次谐波频率处呈现低阻抗效果,同时鼻腔的改变还可影响二次谐波的位置。而声门下方的气管空腔主要影响声波的背向转播,声门下方的气管空腔的存在可明显降低蝙蝠发声时声场在声道声门下方的声压幅度,同时抑制声音背向传播时二次谐波成分的强度。      

管道声传播数值计算与实验结果比较

本文对管道声传播数值计算提出了一组判据,用来衡量数值计算的可靠性;对于具有壁面声阻抗间断的声传播问题,提出了一种处理方法,可保证数值计算的准确性。本文还给出了一组硬壁-软壁-硬壁二维管道声传播数值计算结果与实测结果比较曲线及几个算例,说明本文采用的数值计算模型是合适的,提出的判据及间断点处理方法是成功的。     

马铁菊头蝠声道声学特性的数值分析

采用有限元数值计算得到了马铁菊头蝠声道内部的声场分布,给出了马铁菊头蝠声道内几种特殊的腔体结构在蝙蝠发声过程中的作用。通过微型CT扫描并经过三维重构得到了马铁菊头蝠声道的三维立体模型用于有限元数值计算,通过在声门处放置单位声源计算得到了整个声道内部以及鼻孔周围的声压分布。结果表明,马铁菊头蝠声道包含了鼻腔结构后声波在声门上方的声压幅度明显大于不含鼻腔结构的情况,从传输曲线来看,声门上方鼻腔的存在使得系统对声波传输在二次谐波频率处呈现低阻抗效果,同时鼻腔的改变还可影响二次谐波的位置。而声门下方的气管空腔主要影响声波的背向转播,声门下方的气管空腔的存在可明显降低蝙蝠发声时声场在声道声门下方的声压幅度,同时抑制声音背向传播时二次谐波成分的强度。     

水下声道中的反转点会聚区(Ⅰ)简正波理论

本文用简正波方法讨论水下声道中反转点会聚区的声场。理论分析表明,反转点会聚区声场由大量的简正波同相叠加而成。在一定条件下,反转点会聚区的声强按r~(-2)衰减,会聚增益与会聚区号数无关,会聚区宽度与会聚区号数成正比,这些理论结果与Hale的实验一致。 在双直线声道情况下,会聚增益为此处a_1是相对声速梯度,k_0是波数,(h_0—z)是声源至声道轴的距离。 应用反转点会聚区的理论来分析水池模拟实验的结果,计算得到的表面声道中会聚区的位置、会聚增益以及会聚区宽度与实验结果一致。     

深海不完整声道下反转点会聚区研究

近期南海远程声传播实验数据的处理分析表明在深海不完整声道中声道轴以下存在一种会聚区,该会聚区相比于海面附近的上反转点会聚区在远距离处具有更高的会聚增益.本文利用射线简正波理论确定了水中反转型焦散线和海面反射型焦散线位置,对比发现实验中观测到的深海大深度会聚区位置与水中反转型焦散线位置一致,证明该会聚区是由大量简正波同相...