深海海底斜坡环境对声传播规律的影响

海底地形变化对声传播具有重要影响.针对在南海深海区域海底斜坡环境下进行的一次声传播实验中观测到的一些不同于平坦海底的声传播现象,利用射线声学方法分析并解释了海底地形变化引起声传播差异的原因.结果表明,当声源深度位于131 m处时,在第一影区内,海底斜坡前较小幅度的海底山丘(凸起高度小于1/10海深),对第一次与海底作用而入射到该小海底山丘处的小掠射角(绝对值在10°–20°范围内)声波有反射遮挡作用,导致在其反射区特定传播距离上出现影响深度可达海面以下1300 m的倒三角声影区,比平坦海底环境下相同影区位置处的传播损失增大约8 dB.在第一会聚区内,海底斜坡对声波的反射阻挡作用使得从海面反射及水体向下折射的小掠射角(绝对值小于10°)声波所形成的会聚区结构消失,只保留从水体向上折射的会聚结构.因此,准确的海底地形对深海声传播预报及目标探测等应用非常重要.     

西太平洋远程脉冲声传播实验数据分析

2013年7月在西太平洋进行了一次远程声传播实验.实验使用水下150 m深的拖曳线列阵接收水下125 m深拖曳换能器发射的线性调频声信号(频带范围260–360 Hz),记录了收发距离为34–220 km,612–635 km和926–1029 km等三处的声传播数据;同时用锚系的深水垂直阵潜标接收了水下1000 m深度爆炸的爆炸声信号,最远传播距离达943 km.本文对上述远程脉冲声传播数据进行了分析,获得了深海远程会聚区传播损失曲线、深海声道传播损失及其随接收深度变化曲线,并使用PE模型和射线模型对上述远程脉冲声传播现象进行了理论分析和解释.     

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。     

典型海底条件下抛物方程声场计算方法的缩比实验验证

为验证抛物方程近似方法在声场计算中的正确性,进行了模拟弹性海底的声传播测量实验.实验中利用质地均匀的聚氯乙烯（PVC）板模拟弹性海底,在消声水池中分别测量了水平和倾斜时海底下的声传播损失.理论研究中,应用抛物方程方法及在其基础上发展的坐标映射抛物方程方法仿真计算了2种实验环境下的声传播损失曲线.实验结果表明,仿真计算结果与实测结果吻合较好,充分验证了所研究计算方法的正确性.     

基于耦合简正波到达时间结构的海洋锋面声学监测

AEYFI05（acoustics experiment of yellow sea oceanic front and internal waves）声起伏实验数据分析表明：实验区域明显存在海洋锋面、潮汐、海流变化,这些海洋学过程特别是浅海海流导致了声传播路径上温跃层深度位置、厚度显著变化;观测到跃层变化显著位置导致的简正波声场耦合现象.在脉冲声传播实验中,由于不同号简正波群速度存在差异,耦合信号与非耦合信号在时域上明显被分开,简正波声信号的到达时间结构包含了温跃层水平显著变化位置的信息.对AEYFI05声起伏实验数据进行了深入分析,提出了根据接收耦合简正波声信号的到达时间结构反演温跃层显著变化位置的方法,利用耦合简正波传播时间起伏数据定量反演了海流所致温跃层水平显著变化位置的起伏.     

2005黄海声起伏实验中声场结构的特征分析

2005年9月的黄海声起伏实验中记录了脉冲声传播的实验数据。对数据的初步处理和分析发现接收到的声场数据存在明显的“拖尾”,为进一步分析此“拖尾”产生的原因,根据傅立叶合成法建立了脉冲声传播的宽带计算模型,根据实验中记录的海洋环境数据进行了脉冲声传播的模拟计算。对脉冲声传播的实验数据和模拟计算结果进行了对比,发现“拖尾”主要为耦合的简正波,“拖尾”的相对时间位置与发生声场简正波耦合的相对空间（距离）位置是对应一致的。据此给出了一种利用脉冲声传播的实验数据反演声波导发生较大变化位置或进行水中目标探测的初步方法。     

利用深海海底反射声场特征的水面声源被动测距

海底反射声工作方式是指声波经一次海底反射到达接收器的工作方式,是深海影区内水声探测的重要途径.依据射线声学理论,深海海底反射声工作方式下的声场由海底反射路径(BR)、海面-海底反射路径(SBR)、海底-海面反射路径(BSR)、海面-海底-海面反射路径(SBSR)起主要贡献,4条路径声波的到达时间不同,利用其到达时延差可以分析深海海底反射声工作方式下的声场强度干涉结构.分析发现,海底反射声区声场强度在频率域呈现周期性,且频率间隔随距离增加而增大,且频域间隔对应于多途时延差的倒数,因此可以利用多途时延差与距离的关系来估计声源距离.对于水面声源,声源处的海面反射可以忽略,因此其海底反射声场由BR和BSR传播路径的声波起主要贡献,其干涉条纹的频域间隔对应于BR路径和BSR路径时延差的倒数.本文通过分析深海海底反射声工作方式下声场强度干涉结构,得到了多途时延差随距离变化的关系,并将其应用于水面声源的被动测距,仿真结果和实验结果均证明了该方法的有效性.     

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.     

海面波浪对空气中声源激发的浅海声场的影响

耦合简正波方法被用于计算存在海面波浪时空中声源激发的浅海声场特性.该耦合方法采用波束位移射线简正波理论与水平分段耦合处理方法.声场计算时选取Pekeris型浅海模型,声源频率选为100 Hz,高度为100 m,水下接收器深度为30 m,声源与接受器距离在5 km内.计算表明:5 m/s风速下风浪对接收到的平均声压和均方声压影响较小;10 m/s风速下风浪将使接收到的平均声压下降约5 dB,而接收到的均方声压则增加约1 dB.     

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.     

一种基于大深度矢量水听器的深海直达波区近水面声源定位方法

矢量水听器因能够同时获取声场的声压和三维质点振速分量而倍受关注.矢量水听器在浅海环境下的研究及应用工作较多.2014年在某深海海域进行的水声综合考察实验中,矢量水听器被布放在水下3146 m深处,并成功地接收到了深度为140 m的拖曳声源发射的信号.本文首先结合实验海域环境,分析了深海近水面声源直达波区的声线到达结构以及直达声与海面反射声到达大深度接收器的掠射角,发现二者的均值随距离单调变化,且声源深度变化对其影响较小;然后对实验中两条航线上10 km范围内的信号进行分析,获取目标声源的方位角以及到达矢量水听器的直达声和海面反射声的掠射角,再根据该掠射角对目标声源的距离进行估计,实现了对目标声源在二维平面上的定位,定位结果与目标的GPS航迹符合较好.     

大深度矢量水听器用于深海声传播测量的实验研究

矢量水听器可以同步共点地接收声场的标量和矢量信息,增加了信息的种类和数量,可以改善水声系统的性能.相比于标量声信号,矢量声信号包含更加丰富的声场信息,可应用于目标的识别和定位.为了获取深海声矢量信号,哈尔滨工程大学自行设计了大深度矢量水听器.2014年夏季,在某深海开展了一次深水矢量水听器远距离声传播实验,实验中大深度矢量水听器被放置在3146 m,得到了包含多个会聚区和影区的数百公里的声标量场和声矢量场数据.本文对实验数据中的声标量场和声矢量场进行了处理,计算得出各通道传播损失曲线,并与距离有关声学模型(Range-Dependent Acoustic Model,RAM)计算得出的声压场和声矢量场理论预报结果进行了比较,证明二维抛物方程模型RAM可以有效地进行深海远距离声标量场和声矢量场的预报.     

生态声屏障设计与效果分析

设计了一种将吸声降噪、景观绿化2种功能有机结合的生态声屏障,利用RAYNOISE声学软件对生态声屏障、普通直立型声屏障的降噪效果进行数字模拟比较,对生态声屏障的降噪插入损失进行了实验测量.声学软件RAYNOISE的仿真模拟结果表明:生态声屏障有较好的降噪效果,在声影区内高度4 m以下的生态声屏障比直立声屏障插入损失大0～4.63 dB,在高于4 m后生态声屏障的插入损失虽然大于直立型但不大于1 dB.实验结果表明:频率为63～500 Hz时,生态声屏障的插入损失为0～28 dB,并且随着频率的增加逐渐增大;当频率大于500 Hz时,插入损失不再增大,维持在20 dB左右.     

无载脉冲探地雷达地下目标探测

1965年后,采用无载脉冲雷达进行地下目标探测的理论和实验研究得到了迅速的发展.由于电磁波在地下媒质中的传播衰减大,若采用载波脉冲,其载波频率须为10GHz左右,此时,平面波在吸收较小的干土中传播衰减大于8dB/m.在探地雷达中采用无载毫微秒脉冲,可以降低频率,提高电磁波的穿透深度.     

钻柱中正弦信号声波传输特性实验研究

充分认识声波信号在钻柱中的传输特性,是实现井下信息远距离传输的基础。为研究声信号在钻柱中的传输特性,建立了钻柱结构声传输实验系统。采用不同尺寸钻杆组成的有限长钻柱进行了传输特性实验研究,同时结合理论分析的结果进行实验分析,对声传输系统的可行性进行了分析研究。研究结果表明:实验分析结果与理论分析结果具有特性描述一致性,随着频率的升高接收信号幅值呈现下降趋势,传输距离增大时信号接收幅值减小,并且这种减小程度随着频率的增大而增大,钻柱结构尺寸差异大则接收信号幅值其随着频率变化的速率小。     

液体中光声信号吸收衰减的研究

研究水的声吸收所引起的光声脉冲幅度的变化。脉冲声波由激光通过光击穿机制产生。文中给出了光声脉冲峰值声压与传播距离和声吸收系数之间的理论关系式。实验测量结果和理论曲线所描述的变化规律相符合。     

强驻波声场中脉动速度特性

利用激光多普勒测速仪对管内空气强驻波声场中脉动速度特性进行了测量.实验结果表明:强声场对流场有很强的调制作用,使流场产生了与声波同频率的周期性脉动,且脉动幅度随着声场强度的增加而增大.管内声场强度不大时,实验值与理论值吻合较好;声场强度超过160dB后,出现了声湍流现象,实验测量值与理论计算值之间存在明显的偏差.当管内压力波幅处声场强度达到164 dB时,距离反射板130 mm位置处(sin kx=0.67)湍流脉动速度均方根值为3.50 m/s,达到了该位置处脉动速度幅值的45%,表明强驻波场声湍流脉动非常剧烈.     

基于时延估计的非视域隐藏目标深度定位研究

非视域成像技术是对直接视线范围内看不到的物体（如拐角处的隐藏目标）进行探测并成像的技术,基于飞行时间的成像技术主要是探测深度图,首先需要完成对隐藏目标的深度定位,再对其进行图像重建。提出使用时间延迟估计算法对隐藏目标进行深度定位,并分别进行两组实验,针对不同隐藏目标个数和隐藏目标之间的距离,在不同噪声比下（0、5 dB、10 dB和20 dB）,对隐藏目标的深度定位进行研究。实验结果表明：当隐藏目标之间的距离不断变小时,深度定位误差也在不断增大,隐藏目标之间的最小距离约100 cm（激光脉冲为1 ns）;噪声对深度定位的影响较小,去噪后的误差减少为1～2 cm,表明提出的时延估计算法具有一定的抗噪能力。     

紫外散射通信实验系统及其性能分析

设计了一种基于紫外发光二极管(LED)的大气散射通信系统,利用非视线单次散射模型仿真分析了紫外光大气散射通信的接收光功率与通信距离之间的关系以及不同宽度的发送光脉冲在接收端的脉冲波形展宽.构建了紫外光散射通信实验系统,实现了语音和数据传输,并对系统的通信距离和收发仰角进行了实验研究.仿真分析与实验结果显示:日盲区紫外光在大气中散射传输时由于大气粒子的强烈散射与吸收,传输损耗较大,距离每增加10倍,接收功率下降20dB,因此日盲区紫外光大气散射通信适用于近距离通信场合;近距离传输时散射造成的光脉冲多径展宽为微秒量级,对中低速通信系统影响较小;单个紫外LED发光功率较低,可通过多个LED阵列来提高发射功率,增大通信距离.     

浅海环境下低频声信号传播特性研究

针对典型浅海海洋环境下的低频声传播问题,以快速场方法为建模手段,以声能流为研究对象,结合具体算例模拟研究了不同浅海环境参数对低频声信号传播特性的影响规律.研究结果表明:矢量场中质点垂直振速传播衰减远大于同点声压与水平振速传播损失;海洋环境参数、声源参数、海底声学参数均对低频声信号传播具有重要影响,其中又以海底声速对声能量传播特性的影响最为显著.