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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

一种用能量谱去噪声计算声传播损失的方法

利用常规声传播损失方法计算实测水声场信号时,发现在低信噪比下计算得到的声传播损失存在较大误差.因此,利用能量谱去噪声原理,改进了常规声传播损失的计算方法,并比较分析了2种方法的结果.研究结果表明:当海洋环境条件较复杂、不易区分干扰源时,或者在低信噪比下的远程水声传播中,采用改进的声传播损失计算方法能够较好地抑制噪声、有效地提取信号能量和提高信噪比.     

不同温度的水对海洋平台声发射传播特性的影响

针对海洋平台水下钢结构无损检测的需要,研究在空气和不同温度的水作为耦合介质的情况下,声发射波在钢结构传播过程中幅值和能量的变化趋势,以及声发射波幅值和能量损失的原因。基于声发射波反射原理,分析了声发射波在钢结构中传播的多径效应及波形转换特性,并解释了时域波形发生分离的原因。实验结果表明：水为耦合介质时声发射波幅值和能量损失较大;水温对声发射波幅值和能量几乎没有影响。     

2001南中国海实验温度场与声传播起伏及内潮(波)特征反演

对ASIAEX 2001南中国海声场与水体相互作用实验的温度场起伏数据和声传播起伏数据进行了分析,结果表明:(1) 内波引起的质点垂直平均位移的峰峰值超过40?m;(2) 由声脉冲前沿传播时间平均起伏所表征的声传播起伏,其峰峰值超过100?ms.在此基础上,对温度场起伏数据进行谱分析,得到影响海洋起伏的主要内波分量;声传播起伏数据经Burg法谱分析反演得到的内波主要周期,与温度场的结果一致.比较了垂直于大陆架方向和平行于大陆架方向的温度场起伏谱结构,以及两个方向的声传播起伏谱结构;利用脉冲多途结构和脉冲传播时间分别提取声传播起伏信息的参量,由其表征的声传播起伏谱结构也进行了比较.     

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。     

输送廊道悬浮声屏障插入损失计算模型

为准确评估输送廊道各类悬浮声屏障插入损失,并提高其计算效率,通过声衍射基础公式,考虑实际廊道输送带下方衍射现象,推导出基于线声源的有限长及无限长悬浮声屏障插入损失简化计算公式,进而提出一种考虑下衍射的输送廊道声屏障插入损失计算模型,研究了输送廊道声屏障各类型的选择与居民区所处位置之间的关系。结果表明：下挑檐和上下挑檐声屏障较单侧声屏障和上挑檐声屏障降噪效果高3-5dB。上下挑檐声屏障较下挑檐声屏障降噪效果高约1dB,声屏障高度增加(6m以内)下挑檐插入损失增长速率更快;随着声屏障距地高度增加,近场(50m)插入损失下降速率更快需要搭配其他的降噪措施,远场插入损失下降范围0.5dB内。其研究成果应用于某发电厂厂区外输送廊道噪声控制,采用下挑檐声屏障,理论计算与实际测试误差为2dB以内,达到预期效果。可见对输送廊道噪声的声屏障治理提供科学依据,具有较大的应用价值。     

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。     

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.     

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.     

管路附件对管路系统声传递-辐射特性的影响

为控制海水冷却系统通海口产生的辐射噪声,考虑管路及管路附件的弹性影响,建立了简化的通海系统流噪声传递-辐射的仿真模型;从避免管路流噪声传递损失的角度,提出了基于总传递损失的管路系统声传递-辐射特性的评价方法;借助商业软件计算了不同管路附件影响下的管路声传递-辐射的总传递损失,给出了管路附件对管路声学总传递损失的影响规律。计算结果表明,与无管路附件的直管路相比,换热器可以使总传递损失提高94.9 dB,挠性接管可提高33 dB,截止止回阀可提高28.5 dB,相比之下,滤器、变径管、弯头对总传递损失的提升均小于10 dB,蝶阀仅可提高1.5 dB。通过研究发现,管路附件可以提高对通海系统辐射噪声的控制效果。实际的海水冷却系统的管路附件集中在系统出口管路,使得出口管路附件多于进口管路,导致进口管路辐射噪声控制不足。增加进口管路上的管路附件可提高系统辐射噪声的控制效果。     

民用航空发动机外涵支板声衬的降噪技术研究

为了研究民用大涵道比涡扇发动机风扇外涵支板对风扇转静干涉噪声后传声散射效应的影响,以及外涵支板布置声衬的降噪效果,本文基于有限元方法,首先研究了等截面圆形管道和环形的声传播和远场声辐射特性,并与解析结果进行对比,吻合地较好,表明了该声传播计算方法的可靠性和精度;然后开展对于包含外涵支板的某真实大涵道比涡扇发动机外涵管道的风扇转静干涉噪声后传声分析,最后开展外涵支板声衬的声阻抗优化设计,在约束条件内获得最优声阻抗,研究外涵支板布置声衬对风扇转静干涉噪声后传声的降噪效果。结果表明：有外涵支板的情况下,声波在管道内出现声散射现象,声压幅值较无支板情况明显增大,且在支板附近出现峰值;外涵支板布置声衬后,在最优声阻抗的情况下,单频单模态的降噪量可达22.57dB。     

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.     

声子之间相互作用对量子点中弱耦合激子基态能量的影响

采用线性组合算符方法研究了半导体量子点中弱耦合激子的性质.讨论了声子之间相互作用对激子基态能量的影响.数值结果表明:声子之间相互作用对激子基态能量的影响不能忽略.     

宽带低反射式通风声屏障

提出了一种基于长方晶格型声子晶体结构的波矢调制特性的声屏障设计机理.该声屏障能够以极低的反射率将入射声波导引至内部,并在相对于原有的传播方向偏移一定距离后出射,从而产生局部的声静区.由于该机理不依赖于粘滞吸收效应或负的等效声学参数,因而可保证出射声波的强度及波形均与入射声波相近,使得所设计的声屏障能够在隔声的同时有效地将入射声能量导引至预设的位置进行吸收或进一步利用,并且具有较宽的工作频带.数值计算结果证明在7750~10000Hz频率范围内均有35dB左右以上的隔声量,最大隔声量可达50dB.此外,区别于传统重墙隔声,声子晶体薄板在隔声时未导致背景媒质的阻断,留有与声波波长同尺度的间隙.这些特性对于在实际隔声问题中的应用具有重要价值.