海洋气候声学测温计划

温室效应引起的地球变暖是威胁人类生存的全球性环境问题。海洋在缓解全球气候变暖的过程中起着十分重要的作用,因此,测定海洋变暖趋势受到世界的关注。大范围海洋声学测温是基于声波能在大洋中远距离传播以及海水中声速是温度灵敏函数的原理,通过测量远距离脉冲声信号的传播时间可以推算海洋温度的时、空变化。SCOR已成立了声学监测大洋的96工作组,决定在全球大洋设网进行常年观测,名为海洋气候声学测温(ATOC)计划。本文着重介绍该计划及我国参加该计划的意义。     

海洋声学层析及其研究中的一种新方法

概述了海洋声学层析的基本理论,从射线传播时间、简正波传播时间、简正波相位等角度阐述了海洋声学层析研究中对海洋监测的具体实现方法。针对目前海洋声学层析研究的现状和不足之处提出了一种新的方法,利用声场的耦合简正波理论进行浅海声学层析研究。     

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.     

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.     

高频声学流速层析研究

海陆界面是人类海洋开发活动最为集中的区域,流速在线监测对于其物质通量和生态系统演变极其重要.本文研究了小尺度海陆界面的高频声学流量层析,基于声互易传输原理构建河流平均流速和流量的声学反演算法,并在漳州九龙江海陆界面开展验证实验.应用高频换能器(中心频率为60 kHz,带宽为40–80 kHz)进行互易收发.根据声速剖面和水下地形测量,开展射线声学数值模拟,揭示高频声传播规律.实验测量表明,声信号具有较高的信号幅度和互相关峰值,能够反演河流的平均流速和流量,并对台风“海贝思”期间河流平均流速和流量实现动态监测.研究表明,高频声层析可应用于海陆界面水动力研究、水文测量、洪峰和强降雨等极端事件的监测与预报等.     

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.     

声学腔内声波隧穿效应的研究

从理论和实验两个方面研究了构建的声学谐振腔系统中的声学局域态和隧穿效应,该系统是由两个完全相同的一维声子晶体和一个可调控的间隔层构成.系统中的间隔层即为声学谐振腔层,它与量子系统中的电子双势垒结构具有相似性.在理论上,利用数学中的近似方法得到声波在声学谐振腔系统中声学局域态的本征频率和衰减因子的周期性变化行为以及声波随谐振腔层厚度变化的声学隧穿效应规律.在实验中,构建了连续可调的谐振腔声子晶体系统,通过改变此系统中腔层的厚度,在声波能谱中观测到一些分立的由高频向低频方向变化的透射点以及在不同腔层厚度所对应的禁带边缘透射峰之间区域中出现的一定周期性差异的透射峰行为,以上结果揭示了声波能量在能带中的周期性耦合过程和入射声波在系统中的隧穿动力学行为等特性.实验观测与理论计算结果完全一致.     

基于剪切层扇形分层模型的射流声传播分析

通过计算流体力学建立一种扇形分层剪切层速度模型,并以此为基础用几何声学方法推导整个射流结构的声传播模型.以实际开口式风洞为研究对象,用数值仿真给出射流结构速度分布.建立速度随角度均匀变化的扇形分层剪切层速度模型.用声折射理论推导不同速度层之间的声传播.以声漂移量为指标对射流声传播模型进行声学风洞试验验证,证明本模型对声漂移量的预测精度更高,在高风速、剪切层较厚的情况下,优势尤为明显.     

纸层析分离鉴定氨基酸实验的改进

采用纸层析分离鉴定5种不同的氨基酸,对传统《基础生物化学实验》中的"氨基酸的分离鉴定——纸层析法"进行了改进,同时又与薄层层析分离鉴定氨基酸进行比较.结果表明,在进行氨基酸的分离鉴定时,改进的纸层析法比传统的纸层析法具有耗材少,时间短等优点;而薄层层析法又比纸层析法有更多的优越性,具有速度更快、斑点更集中、显色灵敏度更高等优点.     

飞秒激光激发磁性薄膜产生相干声学声子的研究

飞秒激光脉冲和磁性薄膜中的MnIr层相互作用激发了初始相位为90°,在薄膜中传播速度为4 300 m/s的相干声学声子,该声学声子的振动频率与激光能量密度无关,与该磁性薄膜总厚度成反比.相干声学声子的产生机理可能为飞秒激光激发磁性薄膜的电子,使电子温度急剧上升,随后由于激光吸收而强度减弱形成了一个瞬间的随深度增加而减小的电子温度梯度,使晶格在深度方向相干振荡,即激发了声学声子.另外,外磁场的变化对声学声子的频率的影响在实验误差范围内,说明磁相互作用和晶格中的电相互作用相比是非常弱的.     

海水介质中声波传播时间和传播距离间的一个近似关系

在处理海水介质中声传播问题时,工程上经常使用射线声学方法,因为它具有直观明了,运算不很复杂等优点。射线声学方法关于传播距离、传播时间的公式如下:     

单层石墨烯中声学极化子自陷的相关问题

研究了单层石墨烯中的电子-声学声子相互作用,并导出了单层石墨烯中声学极化子系统哈密顿量。利用极化子基态能量随电子-声学声子耦合常数的变化关系,研究了声学极化子在单层石墨烯的自陷转变。结果表明,在单层石墨烯中,靠近Dirac点的电子不能形成常规的极化子,进而在该点上也不能实现声学极化子的自陷转变。在Dirac点外,声学极化子的自陷情况与理想二维系统的理论描述相一致。     

基于BP神经网络的海洋声学仪器信号识别方法

分析了几种常用海洋声学仪器信号的基本特征,提出一种基于误差反向传播(back propagation,BP)神经网络,以实现对信号特征参数进行分类、识别的方法.该方法采用短时傅里叶变换提取信号特征参数,运用Levenberg-Marquardt算法训练BP神经网络.以实测海洋声学仪器信号的特征参数进行训练后,采用实测和仿真样本对BP神经网络的识别能力进行测试.实验结果表明,BP神经网络能够有效地区分不同海洋声学仪器的信号,识别准确率达到95%以上,且虚警率低于5%.该研究成果可用于识别海域中不同海洋声学仪器,检测海洋中声学仪器的工作状态.该识别方法对于其他海洋声信号的识别研究也有一定的参考价值.     

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.     

黄海冷水团声层析监测数值模拟

海洋冷水团是海洋学家关注多年的问题，其监测方法亟待解决。本将简正波波数层析法用于冷水团监测，并对简正波波数层析用于反演黄海冷水团声速剖面进行了数值模拟。数值模拟结果表明，简正波波数层析可以用于反演平均声速剖面，特别在监测与距离有关海洋环境的声速结构方面大有潜力。     

声道中气动声学问题的光滑粒子动力学模拟

在人体发音过程仿真中,考虑声道边界的动态变化以及气流的流动,可以更加准确、真实地模拟声波在声道中的传播。在处理带有移动边界的气动声学问题时,相比传统声道声学研究中广泛应用的网格方法,无网格方法可以避免网格重构、网格畸变等。基于Euler体系下的气动声学波动方程,推导了Lagrange体系下声波传播的控制方程,并建立了无网格光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法的数值离散格式。通过对比静止流体中声传播问题的SPH解和时域有限差分(finite difference time domain,FDTD)解,验证了SPH方法在声学计算中的准确性和可靠性。对于一维和二维流动流体中的声传播问题,通过与基于Doppler效应的理论解对比,阐明了利用SPH方法求解复杂气动声学问题的可行性。     

深海声学专辑·编者按

正海洋声学研究在保障海洋权益和促进海洋经济发展方面具有重要作用.随着我国海洋权益不断拓展,海洋声学研究正按着著名水声学家中国科学院院士汪徳昭先生提出的"由浅入深,由近及远"的方针向深远海方向发展.在国家自然科学基金项目、国家重大基础研究项目和国家"全球变化与海气相互作用"专项等项目的支持下,我国在深海声学理论研究、实验技术和应用研究等方面取得了一系列重要进展.本专辑总结了国内中国科学院声学研究所、西北工业大学、哈尔滨工程大学和中国海洋大学等多家研究单位的一些最新研究进展.     

脉冲声信号在影区中传播时间的近似计算(一)

§1.问题的提出和形式解当接收点位于几何声学场区时,声脉冲由发射点到接收点所需传播时间,可由射线声学方法得到足够精确的计算结果。但如果接收点位于几何声学的影区范围内,则声脉冲的传播时间计算一般都很繁杂。本文参考Friedlander所曾使用的方法[1],近似估计脉冲声信号在影区中的传播时间。     

基于声学超晶格铌酸锂的新型体声波器件

设计了一种集成的声学器件。它的基本结构是由下列3部分组成的，即换能器部分、声学开关部分和声传播介质部分，但其材料均来源于铌酸锂晶体。其中换能器与声开关部分是由声学超晶格铌酸锂构成的，而声的传播介质则是单畴铌酸锂。着重研究了声开关部分所外加的直流偏压对在该器件中传播的声波的影响。结果显示：声开关部分对声波的反射率受到这一外加偏压大小的影响，外加偏压越大，则反射率越强；声子带隙也受到外加偏压的影响，外加偏压越大，则声子带隙将会增宽。同时我们还发现了声开关的反射谱分布决定于铌酸锂超晶格的周期大小，且超晶格周期数的减小也会增宽声子带隙。该器件在设计上有两大优点：一是实现了声学开关器件的集成化，二是充分利用了声学超晶格铌酸锂最大的机电耦合系数。     

拉格朗日无网格粒子法的声学计算及边界实现

针对现有拉格朗日方法处理声学问题时声学边界出现的匮乏现状,提出了耦合无网格-时域有限差分边界处理技术.边界粒子采用修正光滑粒子动力学方法(CSPM)求解,虚拟粒子采用时域有限差分方法(FDTD)求解;随后分别建立了声学软边界、硬边界和吸声边界的CSPM/FDTD实现方法,其中声传播控制方程采用拉格朗日形式的小振幅波动方程.通过管路声传播模型来对三种不同边界条件进行了验证,而后基于CSPM方法,着重对软边界弹性体在平面波中的时域声散射问题进行了模拟.计算结果表明:该方法能较好模拟出散射声场及其随时间的变化,同时不同初始粒子间距的计算结果也表明了其具有收敛性,验证了修正光滑粒子动力学方法和耦合声学边界处理技术的可行性.