海底声学特性水平变化引起的声异常衰减

海底底质声学参量是影响浅海中声传播的主要原因之一. 基于一次海上实验中的声传播损失异常现象, 提出了海底底质水平变化的海底模型, 并很好地解释了实验中观测到的现象. 研究结果表明, 海底底质在传播路径上的变化对于水中声传播的影响很大, 在进行声传播问题研究及海底反演中海底模型的选取都应对实际海底的水平变化特性予以足够的重视.     

海洋环境对海面源噪声场的影响分析

海面源产生的海洋环境噪声场与海洋声学环境参数紧密相关.研究海洋声学环境参数对海面源产生的噪声场互谱密度的影响,有助于深刻理解此类噪声场空间分布的物理内涵,为其服务于海洋环境参数反演和目标检测定位奠定基础.基于简正波模型推导了海面源产生的环境噪声场的互谱密度函数,通过仿真计算讨论了不同声速剖面与不同海底参数情况下,采用积分的方法计算各号简正波对海洋环境噪声强度的贡献,并用平面波模型计算相同海洋环境下的海底损失进行验证.结果表明,各号简正波对总声场的贡献同时受到声速剖面和海底参数的影响.其中声速剖面对各号简正波对海洋环境噪声强度贡献的影响较大,而海底参数对各号简正波对海洋环境噪声强度贡献的影响相对较小.对于海底参数而言,声速是影响各号简正波对总噪声场贡献的最主要因素;海底密度次之;海底声吸收对海底损失和各号简正波对总噪声场贡献的影响较小.对声速剖面而言,在负梯度声速剖面下,高号简正波对海洋环境噪声场的贡献较大;在正梯度声速剖面下,低号简正波对海洋环境噪声场的贡献较大.     

浅海水平变化波导下低频声能量传输特性

针对浅海水平变化波导下的低频声能量传输问题,基于有限元方法,在柱坐标系下,以声能流为研究对象,结合具体仿真算例讨论了楔形海底、海底山及海沟三类典型复杂海底地形对声场能量传输特性的影响规律及机理.仿真结果表明,利用有限元方法可以准确计算各类水平变化地形情况下的声场分布.对于楔形上坡海底,海底倾斜角度越大,声能量向海底"泄漏"效应越强,水体层中声能量也相应衰减越快,而楔形下坡海底的影响则正好相反.小型海底山的存在会提高其上方声能量,但同时阻碍其后方声能量的接收.小型海沟对声传播的影响与声波的掠射角相关,仅当海沟水平夹角小于各阶简正波掠射角时才影响声能量的传输.     

一种基于低频水声传播特性的浅海地声参数反演方法研究

针对浅海海底声学参数的获取问题,本文研究了一种基于低频水声传播特性的地声参数反演方法。以单水听器接收到各距离点上的复声压为研究对象,通过快速场方法(Fast Field Method,FFM)计算曲线预报结果,依据似然函数建立其与实测数据间的目标函数,最后应用模拟退火算法(Simulated Annealing,SA)寻优得到实测环境下参数最优解。数值模拟与水池实验处理结果均验证了本方法的有效性。     

浅海环境噪声垂直相关提取海底反射参数

分析小掠射角海底反射特性与浅海环境噪声场垂直相关的关系,从而提取表征海底反射的参数.对某海域浅水区观测的海洋环境噪声数据进行垂直相关特性研究,并用于反演海底参数.鉴于海底参数之间存在耦合,采用分步反演的方法:首先利用曲线拟合或经验公式的方法获取海底反射相位,然后再反演海底反射幅度,最后将反演结果用于同海区的爆炸声声场预报,预报结果和试验测量相比,相对误差均小于10%.根据本文建立的噪声场垂直相关模型提取小掠射角海底反射参数,不需要限定特定的海底模型,反射损失中还包括界面散射的影响,可以有效地预报声场.     

东中国海声速剖面的经验正交函数表示与匹配场反演

利用一次浅海声学实验多次测量的声速剖面和声传播信号研究了海水声速剖面的经验正交函数（EOF）表示及其由匹配场处理方法反演的可行性和宽容性.反演中使用了垂直阵和水平阵两种阵形接收的宽带声信号.研究表明：声速剖面可用少数的几阶经验正交函数表示，利用垂直阵信号和水平阵信号都可较好地反演出海水声速剖面，而且对海底声速不敏感，具有较好的宽容性，反演出的海水声速剖面可用于低频信号的匹配场定位.     

倾斜海底情况下声矢量场的计算

根据质点运动方程,给出了基于抛物方程法和简正波法的质点振速表达式,并对水平海底和倾斜海底情况下的声矢量场进行了仿真计算.结果表明,抛物方程法能对倾斜海底情况下的声矢量场进行快速预报.     

浅海地震波波动成分及传播规律分析

为获取浅海环境下海底地震波的波动成分和传播规律,基于浅海声场模型推导了浅海地震波各波动成分的复积分表达式,并利用围道积分以及鞍点法对复积分表达式求解,得出了相应波动成分的传播规律.利用高阶交错网格有限差分算法对浅海低频脉冲声源激励的海底地震波场进行数值计算,得到了海底地震波场的全波场的数值解.理论推导与数值计算结果表明:浅海海底地震波的波动成分包括直达波、反射波、折射波、Scholte波以及侧面波,按沿海底界面的传播速度可分为四组子波系;直达波、反射波和折射波的波阵面为球面,振幅与1/r (r为虚源到上层流体介质的距离)成正比;表面波的波阵面为圆柱面,振幅与1/r~(1/2)成正比;侧面波的波阵面为圆锥面,振幅与1/r~2成正比.     

南中国海内波特征及其引起的声场起伏

浅海内波场与声场相互作用是ASIAEX2001南中国海实验的主要内容之一.文中对这次实验所得到的海洋环境和声场数据进行了处理,分析了内波的基本特征及其对声传播的影响.给出了孤子内波的传播速度、方向、幅度等主要特征物理量.结果表明:该海域存在孤子内波现象,幅度最大可达140m.内波受到半日潮、全日潮和子午潮的调制.内波主要由低阶模态控制.分析了内波对不同频率、沿不同路径传播的声信号的总能量、峰值能量以及延迟时间的影响.     

基于内嵌专业知识和经验深度学习模型的浅海声源识别方法研究

以突破传统的水下声源识别方法为研究目的,结合基于海洋声学环境理论和知识引导学习方法,建立基于内嵌专业知识和经验的深度学习模型,提高分类精度,增强识别的容错能力.从数值仿真方面,经声源参数化模型、水声传播模型和信号传递函数方法生成浅海环境中声学仿真数据,利用仿真数据训练一维深度神经网络;从实验验证方面,使用实验声学数据,对短距离内浅海声源信号分类,同时,对模型在海洋环境中的适用条件以及声学环境参数不确定性对模型性能的影响开展研究,解决识别模型应用于实际海洋环境背景下适应性差的难题.     

孤立子内波存在下的声传播仿真研究

孤立子内波会对声传播产生巨大的影响,基于有限元方法利用COMSOL软件对孤立子内波影响下的声学问题进行求解,仿真研究.首先建立了孤立子内波模型,通过仿真分析了孤立子内波对声场的影响.结果显示,孤立子内波会影响声线的传播轨迹和传播损失,可使声场能量分布更均匀.孤立子内波还会对声矢量场产生影响,使水平质点振速传播损失减小,使垂向质点振速略微增加.     

海底地形起伏对浅海声传播的影响研究

利用有限元方法,实现了对浅海海底起伏环境下的声场数值模拟。在验证有限元计算结果准确性的基础上,重点讨论了海底倾斜角度和海山对声传播特性的影响。仿真结果表明海底地形起伏对声传播损失的影响不可忽略,液态海底下当水平传播距离达到4 km时,倾斜角对声能量的影响可达30 dB;受海山影响,其后方声传播损失相比忽略海山条件下最大可达20 dB,且海山高度越高,声能量损失越严重。     

海洋环境参数对Scholte波特性的影响

采用半无限海底的Scholte波模型并将其推广至分层海底,在直角坐标系下利用流体和弹性体中的波动方程,提出基于水平分层弹性海底模型的Scholte波的求解方法,结合简正波理论分析了Scholte波的频散特性及其质点运动轨迹和质点位移的传播特性,并分析了海洋环境参数(声速与海底参数)对Scholte波传播特征的影响.结果表明,Scholte波受海底介质中横波声速的影响最大,其频散曲线转折点可用于估算弹性沉积层厚度.     

存在高温气流时管道中的声传播

本文研究排气管道中高温气流对声传播的影响，文中从流体力学基本方程出发．分析宏观参数沿管道随距离变化时的声传播规律，导出了平衡温度、局部声速、流速与马赫数等宏观参数沿程变化的表达式，求出了声压及质点振速的近似解．获得了反映一段管道声传播特性的四参数传递矩阵并作了讨论。文中还以一台脉冲煤气燃烧器为实例，分析高温排气管道系统的共振频率，结果表明．理论预测与实验情况良好相符。     

浅海环境下的声学灵敏度核函数研究

灵敏度核函数是声学观测量扰动与声速扰动之间的关系量,表征了声学观测量对声速场扰动的敏感性及其空间特性.目前在水声学中灵敏度核函数的研究主要集中于水平均匀的海洋声波导中,针对不同的声速扰动,灵敏度核函数体现出良好的线性特性.由于实际的海洋声波导往往是水平不均匀的情况,灵敏度核函数的空间特性与波导的空间不均匀性间存在较复杂关系,需开展进一步探究.首先模拟了水平均匀的浅海声波导环境中的声传播,分析了不同射线对应的相位灵敏度核函数和传播时间灵敏度核函数特性,结果表明,相位和传播时间灵敏度核的空间特性存在较大差异,相位灵敏度核在沿着本征射线上影响较大,而传播时间灵敏度核的影响区域主要在本征射线周围的菲涅尔区.继续模拟了不同的本征射线,声速场对灵敏度核的影响程度也存在较大差异.针对水平不均匀海洋波导情况,相应仿真结果显示当声源距涡旋中心较远时,仿真射线对应的相位灵敏度核函数的空间积分值趋于恒定,这表明灵敏度核函数同样适用于水平不均匀的海洋波导中,其灵敏性与射线和声速扰动的相对空间位置有关.这些结果为灵敏度核函数在海洋声学实验站点优化设计和海洋环境参数声学获取等方面的应用提供有利支撑.     

气枪声源诱发的浅海海底地震波场建模与试验

为预报浅海中气枪声源诱发的海底地震波场,将有限元法和无限元法耦合,建立了浅海海底地震波场模型.以雷克子波或实测的水中气枪声源信号为输入激励,分别运用声学有限元、结构有限元构建海水和海底,通过施加绑定约束建立海水和海底介质的流固耦合模型,结合实际情况设置沉积层,利用无限元对海水和海底模型的边界进行截断处理,以模拟无限空间,从而构建气枪声源诱发的浅海海底地震波场有限元-无限元耦合模型.开展了海上试验,从时频分布及能量占比角度,对比了海试数据和模型仿真结果,验证了耦合模型的有效性.     

声强干涉结构监测浅海温跃层深度起伏

浅海声场声强谱存在干涉结构,在声源和接收器固定的情况下,声强干涉谱与海洋环境参数存在对应关系.应用声强干涉结构信息监测浅海温跃层深度起伏,在温跃层初始深度已知的情况下(温盐深仪或声速仪测量得到),利用单水听器记录宽带信号干涉谱的时变结构反演得到浅海温跃层深度随时间变化.数值仿真验证了方法的有效性并应用于05黄海内波与锋面声传播起伏实验(AEYFI-05:Acoustics Experiment of Yellow Sea Oceanic Front and Internal Waves2005)数据.考虑传播路径的水平变化特性,引入绝热近似修正使得反演精度明显提高,温跃层深度起伏反演结果与温度链实测结果吻合良好.该方法可用在夏秋季环境下的强温跃层深度时变特征监测.     

浅海低频混响的振荡现象及其物理解释

在不同底质海区的浅海混响实验中都观测到低频混响具有规则振荡现象, 该现象不能用目前被广泛使用的非相干混响理论解释. 通过对相干混响理论分析, 解释了该振荡现象. 分析表明, 浅海低频混响具有有规律的振荡结构, 其振荡周期由不同号简正波的本征值来确定. 在此基础上进一步提出了一种由低频混响的振荡频率来确定海底声速的方法. 3个不同底质海区的低频混响实验结果表明, 通过该方法得到的海底声速与根据匹配场反演得到的声速基本一致.     

低频声源海底地震波的时域合成波形分析

在频域快速场模型的基础上进行逆傅里叶变换,得到海底地震波的时域合成波形计算方法,并对不同浅海环境参数下的合成波形进行了计算.结果表明:海底地震波的波动成分为海底表面波和简正波;当声源频率低于简正波最小截止频率时,不存在无衰减传播的简正波,其波动成分主要为海底表面波;随着声源频率增大,各阶简正波逐渐被激发且逐渐增强;声源深度越接近于海底,越有利于海底地震波的激发,波动成分中表面波越发占据主要地位;与硬质海底相比,软质海底更有利于低频声源激发海底地震波,但不利于较高频率声源海底地震波的激发.     

不同激励对轴对称圆柱壳声振特性的影响

研究两端分别带有锥形和半球形封盖的轴对称圆柱壳模型.通过有限元/边界元方法,分析不同类型的激励对此模型声振特性的影响,以及当激励类型相同时改变模型的结构参数对其声振特性的影响.结果表明:在不同类型的激励方式中,轴向力矩激励对模型声振特性的影响最大,径向力激励和轴向力激励对模型声振特性的影响次之,周向力激励对模型声振特性的影响最小;当激励类型相同时,在不同的激励频率范围内增加模型的壳体厚度或增加模型圆柱壳段内的环肋数目对模型声振特性的影响与激励频率的范围有关.