环境因素对海-气界面低频异常声透射的影响研究

针对海中声源在海-气界面低频异常声透射问题, 根据两层媒质声传输模型, 分析了大气声速和密度与气压、气温、湿度及海水中声速和密度与海温、盐度间的关系, 研究了低频声透射和传输受温度、气压、盐度、湿度等因素的影响, 分析了各因素对声透射和传输的影响程度. 结果表明: 1) 声透射到大气中的声功率与气温、湿度负相关, 与海温、盐度、气压正相关; 2) 单极子与水平偶极子声源辐射到海中的声功率与海温、盐度负相关, 而垂直偶极子声源辐射到海中的声功率与海温、盐度正相关; 3) 声透射指向性与海温正相关, 与气温负相关; 4) 低频声透射受温度影响最大, 其次是盐度, 受气压和湿度影响较小, 垂直偶极子声源的声透射受温度影响大于水平偶极子和单极子声源.     

海底沉积物参数对浅海中低频声传播的影响

推导出了考虑海底沉积物中声衰减和横波后浅海中点声源激发声场的积分表达式,并用实轴积分法和快速傅里叶交换（ＦＦＴ）数值计算模拟了爆炸声源在浅海中激发的全波列波形。考察了海底沉积物参数、声源激发主频等对低频声传播的影响。研究表明：在远场接收到的波群为声源主频处的模式波。最后讨论了通过几个不同声源激发主频处的某一模式波的群速度的测量值用最小平方和估计法来反演海底沉积物的纵波速度和横波速度的可能性。     

三维浅海环境下孤立子内波对低频声能流的传播影响

针对三维浅海环境下孤立子内波对低频声信号传播特性的影响问题,基于Oxyz坐标系下的三维浅海低频声场有限元计算方法,以声能流为研究对象,仿真分析了内波存在对低频声信号传播特性的影响规律。研究结果表明:受内波影响,在xOz平面,声能流垂直分量的传播偏转角度呈现周期性的起伏规律;随着声源深度的增加,内波对声能流偏转角度的影响深度也随之增加。对xOy平面,当声源位于温跃层以上时,随着接收深度的增加,各深度平面上声能流水平分量的偏转角越大;随着声源深度的增加,内波对各深度平面上声能流的影响逐渐减弱。     

部分浸没圆柱壳声固耦合计算的半解析法研究

部分浸没圆柱壳-流场耦合系统的声振分析是一种典型的半空间域内声固耦合问题,其振动及声学计算目前主要依赖于数值方法求解,但无论从检验数值法还是从机理上揭示其声固耦合特性,解析或半解析方法的发展都是不可或缺的.本文提出了一种半解析方法,先将声场坐标系建立在自由液面上,采用正弦三角级数来满足自由液面上的声压释放边界条件;接着基于二维Flügge薄壳理论建立了以圆柱圆心为坐标原点的壳-液耦合系统的控制方程;然后再利用Galerkin法处理声固耦合界面的速度连续条件,推导得到声压幅值与壳体位移幅值之间的关系矩阵并求解该耦合系统的振动和水下声辐射.与有限元软件Comsol进行了耦合系统自由、受迫振动和水下辐射噪声计算结的对比分析,表明本文方法准确可靠.本文的研究为解析求解弹性结构与声场部分耦合的声振问题提供了新的思路.     

浅海空气声入水传播特性分析

结合射线和波数谱积分方法,对空气声入水传播途径进行了分析,利用海上试验数据进行了比较检验。结果表明,在浅海环境中,对水下声场有主要贡献的空气声入水传播途径,主要是透射穿过海面边界的折射直达声以及后续的海底反射声途径,其中折射直达声途径的贡献主要集中在声源正下方附近区域,当距离较远时,由于声线扩展损失效应以及直达声影区两方面的限制,折射直达声传播损失显著增加,对接收声场起主要贡献的是可以到达更远水平距离上的海底反射声,包括海底海面多次反射声。     

非水平海底情况下海底地震波时域有限差分数值模拟

研究复杂海洋环境中海底地震波激发及其传播特性,对海底物理力学特性研究、资源勘探等具有重要的意义.目前针对时域海底地震波的研究大都局限于水平分层的情况,而实际的海底地质条件比较复杂,基于理想环境假设得出的数值解与实际差别较大.本文在考虑倾斜、隆起等非水平海底模型的情形下,采用时间2阶精度、空间10阶精度的交错网格有限差分方法,同时结合多轴完全匹配层边界条件,对复杂海洋环境下的海底地震波进行时域数值模拟与分析.利用计算得到的声场时域波形,分析了复杂海洋环境下海底地震波的传播特性.结果表明,采用空间高阶精度的交错网格有限差分方法,可改善数值计算中的频散问题;同时采用多轴完全匹配层替代传统的完全匹配层,解决了液-固介质中远距离声场数值模拟不稳定的问题.在含倾斜与隆起构造的复杂海底模型中,海底基岩隆起改变了 Scholte波的传播方向,更有利于在较浅深度处接收到Scholte 波.     

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。     

舰船辐射噪声贝叶斯方法反演浅海底层结构及地声参数EI北大核心CSCD

针对以舰船辐射噪声为参考声源的浅海海底分层结构及地声参数反演问题,研究了一种基于贝叶斯理论的浅海多层海底地声参数反演方法。反演中以舰船辐射噪声的线谱成分为研究对象,进而采用非线性贝叶斯反演方法反演浅海底层结构、层中声速、声速衰减和密度,并对反演结果的不确定性进行分析。反演结果的最大后验概率估计值和边缘概率分布分别通过拨正模拟退火算法和Metropolis-Hastings采样法在各参数先验区间内计算获得,并根据贝叶斯信息准则确定最佳海底分层结构。海上实验表明:根据该方法反演获得海底分层结构及地声参数,计算得到的声压场与实测舰船辐射噪声传播损失误差不超过10%,反演结果能够准确表征实验海区海底特征。反演结果不确定性分析表明:海底纵波声速、横波声速以及密度的不确定性更小,对声压场变化更加敏感,反演结果更有效、准确。     

电动振动台的力学特性分析

本文用电声类比方法分析了三种电动振动台的力学特性,给出了计算电动振动台的输入阻抗,位移频率特性,推力频率特性和加速度频率特性的公式.对振动台动圈电感补偿方法进行了分析.最后讨论了与它配套用功率放大器和电动振动台的三种不同运用方式对振动台力学特性的影响.     

一种5.1通路环绕声的动态双耳重放方法

为改善5.1通路环绕声的双耳重放性能,提出一种基于低价头踪迹跟踪模块的动态双耳重放方法。头踪迹跟踪模块通过单片机采集磁传感器、加速度传感器的输出数据,计算出倾听者头部水平方向信息,并将其经USB接口传给计算机进行动态双耳声信号合成。心理声学实验表明,本文提出的方法可以消除虚拟声源前后混乱和头中定位现象,提升5.1通路环绕声双耳重放的虚拟声源定位性能。     

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。     

基于联合波叠加法的浅海信道下圆柱壳声辐射研究

针对浅海信道下弹性结构声辐射预报尚无高效可靠的研究方法,提出了一种浅海信道下弹性结构声辐射快速预报的联合波叠加法.该方法结合了浅海信道传输函数、多物理场耦合数值计算法和波叠加法理论,运用该方法可对浅海信道下弹性结构辐射声场进行快速预报.经数值法和解析解法验证后,从信道下辐射源、环境影响和辐射声场测量的角度研究分析了浅海信道下弹性圆柱壳的声辐射特性,阐释了进行浅海信道下结构声辐射研究的必要性.研究结果表明,仅在低频浅海信道下弹性结构可近似等效为点源,信道上下边界对声场产生显著的耦合影响,高频段的空间声场指向性分布尤为明显,垂直线列阵进行信道下结构辐射声功率测量时,测量结果受到信道环境边界和潜深的影响较大.     

谐振管谐振频率计算方法的研究

为了准确地计算声谐振管的谐振频率,提出了基于对管内声压分布进行理论模拟的声压模拟法,以及基于驻波最小点位置与管两端声阻抗关系的驻波最小点法。结果表明这两种方法因为考虑了声谐振管两端的声阻对谐振频率的影响,所得谐振频率更加精确、严格,所以特别适用于要求谐振管的谐振频率严格控制的声学领域。同时表明:声压模拟法与驻波最小点法虽然出发点不同,但谐振频率的计算结果完全相同。驻波最小点法计算比较方便,而声压模拟法在计算出谐振频率的同时,还可以给出管中的声压随位置的分布情况。     

射线理论下的浅海环境噪声场空间相干性分析及海底声学参数反演

基于射线理论,以简化海底模型为基础,获得了浅海噪声场空间相干性在频域上的表示方法,并用于海底声学参数反演。将风关海洋噪声看作分布在无限大平面上的点源,通过计算噪声场垂直方向上的能量分布,进一步获得空间两点噪声场频域相干性表达式。利用数值仿真验证了模型对于不同海底类型的敏感性。并结合噪声场空间两点的频域相干性海上实验数据,反演得到该处海域的底质类型,进一步获得海底声速、密度和声衰减系数。结果表明,反演得到的海底参数与实际情况符合较好,文中提出采用的这种计算方法能够有效的反映海底反射对于噪声场空间相干性的影响,并且可在一定程度上提高反演海底声学参数效率。     

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—波长比确定。     

Researches on the distribution law of vector sound field in elastic wedge bottom

The method based on elastic parabolic equation method for calculating the sound vector field has been studied.The vector field in water and corresponding seismic wave field had been calculated for infra-sound in oceanic environment with elastic wedge bottom.The effects on sound field distribution for different frequency and depth of sound source had been researched,result shows that there is sound energy leakage into the bottom,the position where leakage occurred can be determined by the ratio of the ocean depth to the wavelength,as compared with normal mode theory.     

Single frequency sound propagation in flat waveguides with locally reactive impedance boundaries

A coherent image source method is presented for evaluating single frequency sound propagation from a point source in a flat waveguide with two infinite and parallel locally reactive boundaries. The method starts from formulating reflections of the spherical sound radiation into integrals of plane wave expansion, and the analytical evaluation of the integrals is simplified by introducing a physically plausible assumption that wave front shapes remain the same before and after each reflection on a reflective boundary. The proposed model can determine coherently the sound fields at arbitrary receiver locations in a flat waveguide, even when one boundary is highly sound absorptive. Being compared with the classical wave theory and the existing coherent ray-based methods, it is shown that the proposed method provides considerable accuracy and advantages to predict sound propagation in flat waveguides with a sound absorptive ceiling and a reflective floor over a broad frequency range, particularly at large distances from the source where the existing methods are problematic.     

基于等效密度流体模型的地声参数分析

目前的地声参数反演多采用液态海底模型,但是实际海底为多孔弹性海底。该文在等效密度流体模型基础上,通过计算液态海底和多孔弹性海底的反射系数及传播损失,给出了等效密度流体模型和液态海底模型的等效性分析。数值仿真结果表明在低频情况下,多孔弹性海底给出的快纵波声速与等效密度流体模型给出的声速以及等效密度流体的实部与真实的海底密度基本一致。将等效密度流体模型近似看作液态海底模型进行反射系数和传播损失计算,在小掠射角和远距离时,计算结果表明与多孔弹性海底计算结果具有较好一致性,从而以此为依据确定海底为液态,进行地声参数反演。     

考虑噪声源深度分布的海洋环境噪声模型及地声参数反演

考虑到海洋环境噪声源深度分布不集中,建立了噪声源随深度分布的海洋环境噪声模型,分析了源深度对噪声场垂向特征的影响并从简正波角度予以解释,发现海底声阻抗和声源深度都显著影响由海洋环境噪声获得的等效海底反射损失大掠射角部分,进而将该模型用于地声参数反演.两段实测噪声数据200—525 Hz频段的反演结果表明:基于海洋环境噪声的地声参数反演最优值与声传播的反演结果相近;源平均深度最优值随频率增加有变小的趋势,说明随频率增加环境噪声主要贡献源逐渐由航船转为风浪;当海况大于3级时,400 Hz以上频段噪声源深度平均值很小,与Monahan气泡理论的描述一致.