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。      

浅海起伏海面下气泡层对声传播的影响

分析了起伏海面下风浪引起的气泡层对海面反射损失和对声传播的影响.一方面,气泡层会改变原来水中的声速剖面;另一方面,气泡层会对声波产生散射和吸收作用.考虑以上两方面的因素,分析了不同风速下气泡层对海面反射损失和声传播损失的影响,仿真发现,在风速大于10 m/s时,对于2 k Hz以上频率时气泡层对小掠射角下海面反射损失的影响不可忽视.在给定的水声环境中,当声源深度和接收深度都为7 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到8.1 d B.当声源深度和接收深度都为18 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到4 d B.     

水平不变浅海环境随机扰动对声传播的影响

本文主要讨论浅海水平不变波导中的低频声传播问题,为环境适配声纳设计奠定基础。通过仿真分析了海水及海底环境参数对传播损失的影响,根据仿真及实验结果,建立了声速剖面随机扰动及海面、海底起伏条件下的声强分布概率模型,并利用模型中的形状参数α和尺度参数β,提出了局部蒙特卡洛模拟加曲线拟合的声场敏感性分析方法。仿真及实验结果表明声场传播损失服从伽马分布,良好水文条件下10 km距离的声场能量起伏也达到10 d B,随着距离增加,声场敏感性增加。本文所提出方法通过对近场声场的测量和统计实现对远场声场敏感性的预报,与全声场蒙特卡洛模拟相比计算量减小一个数量级。     

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.     

南海北部海域内波环境下声传播损失起伏统计特性

浅海内波会引起声传播能量随时间的起伏变化,进而影响水声设备的工作性能.本文利用2015年南海北部一次浅海声场起伏实验数据,对比分析了浅海线性内波和孤立子内波条件下的声传播损失统计特性.在孤立子内波条件下,声传播损失起伏明显加剧,可达11 dB,且分布明显展宽,相对于线性内波的环境,声传播损失起伏可增加5 dB.从简正波...     

界面混响的耦合简正波理论研究

利用耦合简正波理论分析了粗糙界面散射引起的混响。引入了粗糙海底以及海面引起的各个模态间的耦合系数表述粗糙界面对声场的散射过程。结合风浪谱Pierson模型,仿真了不同海况下的海面混响,重点在于分析不同海况下海面起伏对海底混响的影响。利用耦合系数的求解从粗糙海面引起模态间能量耦合的角度对这种影响进行了机理性的探究。结果表明,尽管在浅海中海底混响占支配性地位,但随着海况等级的增加,海面散射对海底混响是有影响的,而这种影响可以从粗糙界面对声波模态间的耦合进行机理分析。      

大陆坡内波环境中声传播模态耦合及强度起伏特征

大陆坡海域内波普遍存在,其陆坡地形和内波过程都会引起显著的声场起伏.已有研究工作主要关注内波或大陆坡单扰动因子对模态耦合和强度起伏的影响,少见将内波和海底地形起伏同时作为影响因子进行研究.文章考虑孤立子内波和海底地形对声传播的双重影响,首先构建海洋波导模型,然后基于简正波理论数值对比分析各波导模型条件下模态的耦合规律,进而研究声场强度起伏特性及其物理机理.研究结果表明,当声波朝向或远离内波中心传播时,模态耦合在内波与大陆坡的共同作用下出现耦合增强或衰减,高号模态耦合系数振荡;内波扰动的作用使得能量由低号模态耦合至高号模态,提高了声场强度衰减;斜坡的作用使得声波下坡传播时,波导模态数增加、模态强度衰减降低;大陆坡内波环境中的模态强度总和大于内波环境、小于大陆坡环境,且模态组间的能量转移比只有内波或者大陆坡时更强,高号模态从耦合中获得更多能量,使得跃层以上水层能量增强.     

起伏海面环境下水声信道特性及估计方法*

为了研究随机起伏海面的散射对水声信道特性的影响,以及不同信道估计算法在该信道条件下的性能问题,该文从利用Monte Carlo方法模拟的基于PM海浪谱的二维随机起伏海面出发,提取了与风向不同夹角的一维随机起伏海面,并利用Kirchhoff近似法计算了其散射强度。将得到的声散射特性和海面环境信息融入到信道模型中,建立了基于PM海浪谱的随机信道模型。通过仿真分析了不同风速、传播距离条件下,声波的传播损失和信道冲激响应变化,并利用l_0-最小均方误差法、匹配追踪算法和正交匹配追踪算法进行了信道估计。给出了不同环境条件下,三种算法估计性能的综合比较结果,验证了算法针对该信道模型的有效性。     

南中国海海域存在孤立子内波条件下的 声场统计特性*

利用南海浅海海域低频声传播起伏实验中获取的水文数据,结合二维平流模型重构出声传播路径上的动态声速场,使用蒙特卡洛方法研究了有、无孤立子内波经过声传播路径条件下的声传播损失统计特性,并与实验结果进行了对比分析。仿真和实验结果表明：当孤立子内波经过声传播路径时,声传播损失起伏剧烈;与“下发上收”相比,“下发下收”情况下传播损失的概率分布更加分散。     

采用球面波叠加法还原自由声场的方法

为解决非自由声场中近场声全息重建时,干扰声在目标声源表面产生的散射影响,提出一种基于球面波叠加法的自由场还原技术。该技术首先采用基于球面波叠加法的声场分离技术获得向内和向外传播的声场,然后以目标声源的表面导纳作为边界条件,实现目标声源辐射声和散射声的分离,从而获得等效于自由声场的测量条件。该技术为准确实现非自由声场中的噪声源识别创造了条件。文中首先详细描述了该技术的基本原理,并提出一种最优球面波展开项数选取方法,最后通过数值仿真说明了该技术的有效性。结果表明:在频率较低时,散射声影响较小,采用声场分离技术和自由场还原技术效果相当;但随着频率升高,散射声影响逐步增强,必须采用自由场还原技术才能准确获得目标声源辐射声。      

水下低频振荡涡流场声散射调制机理与特性研究

水下涡流场对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题,在水下目标探测和流场声成像领域具有重要意义.针对水下低频振荡涡流场声散射调制问题建立了理论分析模型与数值计算方法,探究了其声散射调制声场的产生机理与时空频特性.首先,基于运动介质的波动方程,通过引入势函数将波动方程分解为流声耦合项和非耦合项,并对流声耦合项进行频域分析处理,揭示了水下振荡涡流场的声散射调制机理;其次,采用间断伽辽金数值方法对水下低频振荡涡流场中声传播过程进行了数值模拟,分析了低马赫数条件下,不同入射声波频率、涡流场的振荡频率和涡核尺度对涡流场声散射调制声场时空频特性的影响规律,并结合理论分析模型对其特性进行了解释.研究表明:低马赫数下,振荡涡流场对声波的散射可产生包含涡流场振荡频率双边带调制谐波的散射调制声场,且随着入射声波频率、涡核尺度的增大,散射调制声场强度增强,总散射声场空间分布具有对称性和明显主瓣,且主瓣方位角趋近于入射波传播方向;在频率比远大于1条件下,涡流场振荡频率对散射调制声场强度影响较小.     

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。     

小掠射角下高斯谱粗糙海面反射损失建模

在散射能量基本为前向散射且集中在“镜面反射”方向的情况下,粗糙海面反射损失建模是声呐信号传播建模必不可少的一部分,尤其对于中远距离下浅海或者存在表面声道的水声环境,小掠射角(10°以内)下的粗糙海面反射损失建模尤为重要。首先基于高斯谱粗糙海面模型,通过高海况下的声传播试验数据处理分析了粗糙海面边界条件下的Ramsurf声传播模型的有效性,进而以Ramsurf声传播模型为基准,在小掠射角下,比较分析了Kirchhoff近似(KA)海面反射损失模型和小斜率近似(SSA)海面反射损失模型,数值计算结果表明,在小掠射角下SSA海面反射损失模型与Ramsurf计算结果较为吻合,是比较精确的海面反射损失模型。      

基于脉冲声分离的刚性球散射声控制

提出了一种基于脉冲声的三维空间中刚性球散射声分离方法,并利用前馈、固定系数控制方式对分离出的散射声进行有源控制,抑制散射声强度,实现了刚性球散射体在观测点处“声学不可见”。该方法利用脉冲信号作为初级噪声,通过有无刚性球时传声器采集脉冲信号的差值确定散射声大小,实现散射声与声源直达声的分离。对分离出的散射声进行多通道有源控制以验证该文所提分离方法及控制系统的有效性。实验结果表明,700~1000 Hz范围内,有源控制开启后,双通道散射声的平均降噪量大于5 dB,多通道散射声的平均降噪量大于8 dB,且误差传声器处采集的残余声场与无刚性球时采集的初级声场信号波形基本一致,实现了刚性球散射体在误差传声器处“声学不可见”。此外,参考传声器布放位置的选取问题也在该文做了详细讨论。     

南海北部浅海声场起伏及统计特性

水下声场的时间积分声强和峰值声强是声呐检测中的重要物理量,而海洋中的内波等动力学过程会造成声场强度的起伏。对南海北部浅海内波环境下定点声起伏实验数据分析,结合数值仿真,总结了试验海域近海底发射和近海底接收条件下内波引起接收信号强度起伏的统计特性.分析结果表明:接收信号的时间积分声强起伏小于峰值声强起伏;时间积分声强与峰值声强起伏的概率分布与对数正态分布较为接近.时间积分声强和峰值声强起伏大小与信号的频率有关,同一收发距离,中心频率650 Hz信号的声强起伏较中心频率310 Hz和375 Hz信号的声强起伏更为剧烈。对于同一频率,当海底较平坦时,声强起伏的闪烁指数随传播距离的增加而增大;当水深随传播距离逐渐变深时,声强起伏规律受内波和水深变化共同影响而更为复杂,闪烁指数先随传播距离增加而增大,之后又随传播距离的增加而逐渐变小.      

浅海周期起伏海底环境下的声传播

海底粗糙对水下声传播及水声探测等应用具有重要影响.利用黄海夏季典型海洋环境,分析了同时存在海底周期起伏和强温跃层条件下的声传播特性,结果表明:由于海底周期起伏的存在,对于低频(<1 kHz)、近程(10 km)的声信号,传播损失可增大5—30 dB.总结了声传播损失及脉冲到达结构随声源深度、海底起伏周期及起伏高度等因素变化的规律.当海底起伏周期不变时,起伏高度越大引起的异常声传播的影响随之变大;当起伏高度不变时,随着起伏周期变大,其对声传播的影响逐渐变小.用射线理论分析了其影响机理,由于海底周期起伏改变了声波与海底的入射和反射角度,使得原本小掠射角入射到海底的声线变为大掠射角,导致海底的反射损失增大;另一方面,声线反射角度的改变会使得原本可以到达接收点的声能量,由于与海底作用次数增加或变为反向传播而大幅度衰减.在浅海负跃层环境下,声源位于跃层上比位于跃层下对声传播影响更大.周期起伏海底对脉冲声传播的影响表现在引起不同角度的声线(或简正波号数)之间的能量发生转化,一些大角度声线能量衰减加大,多途结构变少.多途结构到达时间及相对幅度的变化进而影响声场的频谱,会使得基于匹配场定位的方法性能受到影响.所以,声呐在实际浅海环境中应用时,应对起伏海底的影响予以重视.此外,研究结果对海底地形测绘空间精度的提高也具有重要参考意义.     

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...     

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。      

基于小斜率近似的深海海面混响

收发设备在海面附近的深海混响实验中,多途时延使得最先到达水听器的为海面混响信号,且不受海底散射声场的干扰.本文利用射线理论描述深海声传播的格林函数,采用粗糙界面一阶小斜率近似方法描述全角度海面散射,给出海面混响声场的表达式.同时考虑了海面表层气泡散射的贡献,获得了海面混响理论.通过数值仿真数据和深海实验数据的比较对海面混响模型进行验证,分析了不同接收深度、频率下的海面混响强度衰减趋势.结果表明:低海况条件下,低频海面混响由粗糙界面散射主导,气泡散射可以忽略,随频率升高,气泡散射对海面混响的贡献逐渐增大,海面附近收发深度的小幅变化对混响衰减曲线的影响不明显.基于该模型提出一种反演海面粗糙界面谱参数的方法,数值计算结果验证了该模型能够在风速已知的前提下,通过海面混响数据提取海面粗糙界面谱参数.     

高速垂向运动声源声场干涉特性及其可观测性

以高速垂向运动声源宽带连续谱噪声为研究对象,基于射线理论分析了声场干涉现象的产生机理,推导了干涉条纹的轨迹方程,讨论了影响干涉结构特性的因素,揭示了声场干涉结构的特性和规律。理论和仿真结果表明:干涉周期与多途信号时延差成反比关系;减小接收深度或增大接收距离可以提高干涉条纹的可观测性;较大的海面起伏易使干涉条纹形成断点,可观测性降低。湖试数据分析结果表明,干涉条纹主要由直达声-海面反射声干涉条纹构成,干涉条纹宽度和干涉周期随水平距离的增大而增大。该结果可为高速垂向运动声源运动状态分析、环境参数反演等提供参考。