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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

三维抛物方程方法中海底边界条件改进处理的能量守恒方法

对于海洋声传播PE算法中不规则海底边界条件的处理,根据能量守恒方法对三维PE模型进行了改进,对界面附近的抛物方程的差分形式进行了修正,以考虑复杂海底边界对于声传播的影响;对于此方法中导致的海底中声场出现的振荡问题,给出了一种简易处理方法。通过实际的数值计算表明,该方法提高了地形有变化条件下声场计算的精度。     

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.     

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。     

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.     

声波在双层不同空化阈值液体中的不对称传播

介绍了在由双层不同空化阈值的左右液体、通过透声膜耦合而成的一维传声系统中,实现声能量不对称传输的物理机理及参数相关性.由于左右液体的空化阈值不同,导致超声波在左-右和右-左传播的空化效应不同,出现了声能量传输的不对称性.该系统无需精心设计,易于实现.在理论上,基于两相流体理论提出了描述声空化液体中声场分布的动力学模型.数值计算表明这种能量传输不对称性与驱动声压和两种液体的空化阈值有关,且在一定条件下整流方向会出现反向.实验中建立自动控制逐点声压测量系统,研究了不同空化阈值液体组合中不同驱动下的声压幅值分布,证实了上述声能量传输不对称性的存在.本文的设想为实现声波单向传输提供了一种新的思路.     

基于简正波掠射角的声速剖面反演方法研究

针对浅海宽带信号多途的特点,对多途分离的方法进行了研究,提出了一种基于warping变换的简正波分离和简正波信息提取的方法.随后提出了一种基于射线-简正波理论的利用各阶简正波中不同频点信号到达掠射角进行声速剖面反演的方法,最后通过仿真计算验证本方法可以应用于具有一定时间长度的线性调频发射信号的简正波分离,分离后提取的简正波信号经逆运算还原后与原始信号基本一致,分别对每阶简正波的各个频点到达掠射角进行计算,利用各阶简正波的不同频点到达掠射角建立代价函数,进行声速剖面反演.仿真结果证实了该方法的可行性,并分析了反演精度.     

二维阵列亥姆霍兹共鸣管的声带隙性能

亥姆霍兹共鸣器是一种最基本的声共振系统,可受外面声场的激发并消耗其能量,形成重要的吸声体结构.其最典型的应用就是音乐厅、电影院吸音墙的微结构.设计了二维的亥姆霍兹共鸣管周期阵列结构,并应用有限元方法计算该结构的声传输特性.计算结果表明,该结构可以利用布拉格散射效应、局域共振效应以及亥姆霍兹共鸣管对声波的吸收效应.与无开...     

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.     

火箭强噪声模拟装置单元辐射器出口形状对远声场特性的影响

建立了火箭强噪声模拟装置辐射器不同出口形状声辐射器的远声场特性计算模型.仿真分析了被截面积的大小对被截圆形出口声辐射器远声场特性的影响.在不同输入信号频率下,比较分析了圆形和被截圆形出口声辐射器远声场特性,为小型化火箭强噪声模拟装置设计提供理论指导.仿真结果表明,当被截面积较小即圆心到被截边的距离大干某个值时,被截圆形口面声辐射器远场声压和指向性基本不受影响,远声场特性与圆形口面声辐射器一致.     

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.     

环肋对两端带半球帽圆柱壳声振特性的影响

为了研究加环肋轴对称壳的声振特性,建立了计算两端带半球帽圆柱壳水中声辐射的有限元与边界元三维模型,分析了加肋高度、宽度、数量对轴对称壳表面平均振动速度、辐射功率、辐射效率、激励点法向声强、声场指向性的影响.应用有限元软件Ansys建模及模态分析方法,将数据导入边界元软件Sysnoise中计算,从而分析结构耦合状态下的辐射声场特性.结果表明,随着环肋高度、宽度及数量的增大,激励点法向声强、表面平均振动速度以及辐射效率和辐射声功率随频率变化曲线的峰彼此错开;环肋高度、宽度、数量增大时激励点法向声强以及辐射声功率均有增加,表面平均振动速度减小,因而导致声辐射效率增加;在0~800Hz频率范围内,环肋高度和宽度变化对声场指向性影响差别较小.     

基于COMSOL的声表面波声场调控仿真

声表面波(SAW)如今被广泛应用于微流控技术,为了满足多尺度、多功能的微流控需要,在压电基底材料不变的情况下,利用COMSOL有限元软件仿真探究了声学微结构对SAW芯片的声场调控特性,实现了SAW芯片表面声场强度的增益及声场区域的调控.     

锯齿形超声相控阵声场特性

针对空心轴类零件的外表面纵向裂纹,该文提出采用锯齿形超声相控阵换能器进行电子旋转扫查检测的方法。为研究锯齿形超声相控阵探头的聚焦声场特性,首先根据射线声学原理,研究该换能器在圆弧形分界面条件下的延迟法则计算方法;其次采用有限元仿真方法分析该换能器超声声场的聚焦声场特性,结合动态光弹实验方法,对聚焦声场进行观测实验;最后在含有人工缺陷试块中进行检测实验。实验结果表明:通过设计相应的聚焦法则,可以实现电子控制声场周向扫查,在聚焦点附近声场能量增大,在远离聚焦点处声场能量减弱,瞬态观测实验声场聚焦效果与仿真结果相符,检测实验缺陷信号明显,无底波干扰。     

粗糙海面对空气中声源激发水下声场的影响

提出一种计算粗糙海面条件下空气中声源激发水下声场的方法,并通过数值仿真研究粗糙海面对水下声场的影响.在波数积分模型的基础上,采用微扰法将声场分为平均声场和散射声场之和.其中,平均声场采用国际流行的波数积分模型OAST计算,散射声场采用自相容扰动法计算.对不同风速、不同声源频率条件下的声场进行仿真,结果表明风速越大、声源频率越高,总声压变化范围越大,同时,水下接收到的平均声压和均方声压受到的影响越大.