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.     

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.     

深海海底山对声波的反射和阻挡效应

2014年在中国南海进行了一次深海海底山环境的声传播实验.本文利用宽带爆炸声信号分析了海底山对声传播的影响.在第一会聚区位置,由于海底山的阻挡,海底山环境下传播损失(TL)增加了30 dB以上.此外,实验观察到在第一影区的位置,由于海底山的反射,海底山环境下的传播损失比无海底山环境下的传播损失减小近7 dB.在28 km附近,海底山环境下的传播损失随着接收深度的增大而增大,接收深度170与1868 m处的传播损失相差近10 dB.在距离大于30 km时,不同接收深度条件下的声传播损失随距离的变化趋势基本一致,且大部分距离处的差异小于3 dB.实验得到的传播损失和脉冲达到结构与理论计算结果符合得很好,并利用射线和波动理论解释了由于海山引起的传播损失异常现象和脉冲到达结构.     

小掠射角下切变波对海底反射损失的影响

本文通过建立海水——海底模型,研究了远距离接收舰船信号时（小掠射角）切变波对海底声反射损失的影响。结果表明,切变波速越高,反射损失越大。     

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.     

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.     

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.     

西太平洋一、二岛链间海区声传播的季节因素分析

以分析西太平洋第一、第二岛链间海区在不同季节时的声传播情况为研究目的,利用world ocean atlas 2013(WOA13)季节平均数据和Mackenzie声速经验公式,首先分析该海区声道轴深度和表层声速值的四季分布情况;再利用BELLHOP水声学数值模型,在设定的1 000 Hz声源频率和15°～-15°掠射角情况下,仿真计算选用位置点5 m深度声源的四季声传播情况,研究其规律:四季反转深度由15°N以南的4 900 m以上,降至25°N以北的4 900 m以下,且夏季最深,春秋两季次之,冬季最浅。多数海区可形成汇聚区波导并主要存在于冬秋两季,第一汇聚区位置相对在61～64 km;通常夏季最远,春秋两季次之,冬季最近。在设定的仿真计算条件下声传播覆盖范围有限,需通过其他手段和战术行动改善。     

关注深海高技术领域的水声学研究

 在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》中提出要加快发展空间和海洋技术。而海洋技术又被列为重点发展的六大前沿技术之一。深海高技术则是重点关注的领域。我国的国家安全和国民经济的发展都需要我们走向印度洋和太平洋的深海。按照美国著名水声学专家R. J. Urick的解释,“深海”有两种不同的定义:测深学意义上,大致以沿海大陆架延伸为标准,大约100英口寻(约200米)以内为浅海;水声传播意义上,没有多次海底海面反射的水声信道为浅海。按这个定义,浅海的水深是一个模糊的数值,它是随地缘而变化的。由于声波是迄今为止人类知道的唯一能在海中远距离传播的能量形式,所以在深海高技术的发展中,水声学(海洋声学,声学海洋学)具有重要的作用,并担负重要的使命。     

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.     

海底地震波波动成分及传播特性分析

为获取海底地震波波动成分及其传播特性,将两层半无限液固海洋模型中的波场表示成复积分的形式,采用鞍点法求解波场复积分的远场近似解,并阐述了与积分解相对应的波动成分及其传播特性.结果表明:海底界面处存在的波动成分包括直达声波、反射声波、侧面波、透射纵波、透射横波、泄漏瑞利波和Scholte波;其中直达声波、反射声波和透射波的波阵面为球面,侧面波的波阵面为圆锥面,Scholte波的波阵面为圆柱面.并应用高阶交错网格有限差分法对以上各种波的传播过程进行了数值模拟,给出了场量的波场快照,形象直观地显示出空间中存在的波动成分及其传播特性,数值模拟结果与理论分析结论相吻合.     

声致荧光的光像特征

通过实时观察和拍摄表明,鲁米诺-碱性水溶液的声致荧光具有某些宏观特征.即声致荧光的空间分布随容器形状而变,在对称性容器中是准对称分布的;在不对称容器中除不对称分布外,还表现出明显的束流形态;声反射界面对这种光像及其亮度分布有显著影响.这种影响有反射凸面使光像呈散射状;反射凹面使光像呈会聚状;在这两种反射面附近的声致荧光均得以增强.这说明,产生声致荧光的超声空化场既保留了超声声场的反射、散射和会聚等传播共性,也有其固有的空间特征.其中,声致荧光的束流形态可能源于超声辐射力对空化泡群的驱动作用,而它的界面增强效应或许是声反射界面作为新一处的空化核滋生源而引发了更多的空化事件的缘故.     

声致荧光的光像特征

通过实时观察和拍摄表明,鲁米诺-碱性水溶液的声致荧光具有某些宏观特征.即声致荧光的空间分布随容器形状而变,在对称性容器中是准对称分布的;在不对称容器中除不对称分布外,还表现出明显的束流形态;声反射界面对这种光像及其亮度分布有显著影响.这种影响有:反射凸面使光像呈散射状;反射凹面使光像呈会聚状;在这两种反射面附近的声致荧光均得以增强.这说明,产生声致荧光的超声空化场既保留了超声声场的反射、散射和会聚等传播共性,也有其固有的空间特征.其中,声致荧光的束流形态可能源于超声辐射力对空化泡群的驱动作用,而它的界面增强效应或许是声反射界面作为新一处的空化核滋生源而引发了更多的空化事件的缘故.     

钢筋混凝土梁结构中的声发射波衰减传播特征

为了解距离对弹性波传播的影响规律,制作了两种不同规格的钢筋混凝土梁,通过断铅模拟声发射信号,利用PAC-3声发射系统对弹性波在钢筋混凝土中传播的衰减规律进行试验研究。结果表明：频率、波速及振幅均随传播距离增加整体上呈衰减趋势;弹性波在钢筋混凝土传播过程中,高频信号衰减程度大于低频信号,因而低频信号在长距离传播更稳定;波速及振幅在1.0 m处都出现了较大幅度的提高,经分析可知声波在经过混凝土三相交界处时会发生多次折射、反射、吸收衰减等现象,因而离散性增大。可见实际检测过程中的探头布置间距不宜超过1.0 m。     

向井外地层中扫描辐射声场的数值模拟

应用实轴积分方法研究了实现由充液井孔中的相控线阵声波辐射器向井外地层中扫描辐射声场的方法. 研究表明, 通过改变井孔中的相控线阵声波辐射器的阵元个数、相邻阵元间激励信号的延迟时间等参数可以控制辐射声束的角宽和入射于井壁的入射角. 当辐射器产生的声束以小于第一临界角的偏转角入射到井壁上后, 在井外地层中产生的纵波的偏转角近似满足平面波入射于平面界面时的折射定律. 当井孔中的相控线阵的辐射声束角宽较小, 且声束偏转角小于第一临界角时, 可以假设将相控线阵置于无井孔的均匀固体中, 利用固体中相控线阵的指向性函数直接计算井外声场的空间分布. 向井外地层中扫描辐射声场技术可以用于提高反射声波测井和井间声波勘探的空间分辨率和信噪比.     

氮化硅陶瓷弹性模量的空气耦合超声检测

针对在恶劣条件下氮化硅陶瓷材料弹性模量无法直接测量的问题,建立了非接触空气耦合超声第一、第二临界角与该材料弹性模量之间的关系.基于声波在氮化硅陶瓷中传播机理,从波动方程入手,利用传递矩阵法及声波气固边界条件获得了声波在不同入射角度下透射系数的物理模型及其分布规律.仿真结果表明,由Snell定律计算的第一、第二临界角与透射系数分布规律获得的临界角相比二者误差小于3%,弹性模量的误差小于2%.实验结果表明,不同入射角下透射系数发生了畸变处的角度分别为第一临界角3.5°和第二临界角6.3°,弹性模量为43.24GPa.该方法也为利用空气耦合超声波测量其它材料弹性模量提供了一定的理论依据.     

激光声表面波检测黏弹性平板裂痕有限元模拟

基于平面应变理论和频域动力学平衡方程,在频域中建立黏弹性平板表面激光激发声表面波的有限元数值模型.在分析材料的黏性特征对Rayleigh波传播特征影响的基础上,模拟了Ray-leigh波在黏弹性平板表面裂痕处发生的声波反射及模态转换的过程,进而计算了表面裂痕的位置及深度.模拟结果表明,激光Rayleigh波通过表面裂痕发生了明显的反射,并相继产生了两个反射Rayleigh波RR及RS,通过研究反射Rayleigh波RR及RS产生的物理机理,可以判定其表面裂痕的位置及深度,从而为定量检测黏弹性材料表面的缺陷提供理论依据.     

一种新的浅海目标方位估计方法

针对平面波假设下的目标方位估计方法对浅海中声源的定位存在偏差的问题,提出了一种新的浅海目标方位估计方法.采用可以反映浅海中声的远距离传播现象的简正波声场理论,把观测点处的声压看成是若干阶简正波的叠加,在平坦硬质海底和白高斯噪音的条件下,构造出了均匀线列阵的接收信号的矩阵方程形式,然后通过详细的数学推导给出了方位角的最大似然估计来完成对该方程的求解.该方法比经典的匹配场处理方法形式简洁、计算量小,比平面波条件下的信号子空间方法估计偏差小.仿真数据表明:随着信号入射方向和阵列法线夹角的增大,平面波假设下的MUSIC方法的估计偏差随之线性增加,而新方法的估计偏差并不显著增加;随着信噪比的增加,平面波假设下的MUSIC方法的偏差始终是2°左右,而新方法估计偏差很小且趋于0.湖上试验结果验证了新方法可以有效实现浅海目标波达方向的渐近无偏估计.     

无限域中波传播问题的数值计算模拟

论述了标量波和矢量波在无限域中传播所涉及的有关数值计算模拟问题.根据有限元方法所固有的特点,无限域中波传播问题近域部分的几何复杂性和介质材料多变性均可采用有限元模拟.为了避免在近域与远域的分界面处发生波的反射与折射,需要在该分界面处施加一些特殊的处理方法.对于波辐射问题,可在近域与远域的分界面处施加所谓的波吸收边界.而对于波散射问题,可在近域与远域的分界面处使用动力无穷元将入射波从近域传播到远域.为了演示如何应用这两种不同方法模拟远域的影响,不仅通过考虑无限域中的标量波辐射问题推导了高阶精度波吸收边界的数学表达式,而且还通过考虑无限域中的矢量波散射问题推导了二维动力无穷元的有关计算公式.运用有限元与动力无穷元耦合方法,研究了不同地形条件对河谷表面自由场分布的影响.     

深海声信道中的被动合成孔径

被动合成孔径技术通过对直线运动的小孔径基阵的接收信号进行处理,以时间积累换取空间增益,从而提高对目标的方位分辨和检测能力.理论分析表明,只有当(用于合成孔径的)物理子阵所处声场的水平相关半径远大于合成所用子阵尺寸时,被动合成孔径的探测性能才会较常规物理孔径基阵有明显优势.深海声信道中,声场水平相关的空间变化会对被动合成孔径技术的性能存在较大影响,本文利用2014年南中国海深海信道条件下的实验数据,开展了被动合成孔径和常规物理基阵的性能对比分析,用波束域扩展拖曳线列阵测量方法将32阵元(48 m)的物理子阵合成了160阵元(240 m)的虚拟阵,结果表明:当声场水平相关半径超过240 m时,160阵元虚拟阵的处理增益最高比32阵元的物理子阵高出9.5 dB,与理论预测数值一致;当水平相关半径小于30 m时,160阵元虚拟阵的处理增益只比32阵元的物理子阵高出6 dB,而其探测性能实际已经接近32阵元物理子阵.这也说明,在深海信道影区内声场水平相关半径较小,被动合成孔径技术的探测性能因此受到限制,较之常规物理孔径基阵的优势并不明显;而在声场水平相关半径较大的深海信道会聚区内,被动合成孔径技术的探测性能有明显改善,较之常规物理孔径基阵的优势明显.