水平变化波导中的简正波耦合与能量转移

针对海底地形水平变化对声场能量传播和声场干涉结构的影响,对简正波之间的耦合和能量转移进行了研究.建立了一种二维大步长格式的耦合简正波模型和三维楔形波导耦合简正波模型,以便快速有效地分析简正波之间的耦合和能量转移.基于耦合简正波模型,阐述了前向声场能量在水平变化波导中传播时的转移过程.并根据射线简正波理论,解释了海底地形变化对声场能量分布的影响机理.水平变化波导中声场的仿真计算表明,当本征值虚部发生剧烈变化时声场存在着较强的简正波耦合和能量转移,且海底地形变化将导致声场能量的水平传播方向偏转至海水深度增加的方向.在声场能量转移和传播方向变化中,声场的能量趋于保留在波导中而不向海底泄漏.同时,声场能量分布受到类似于压缩或稀疏的作用,从而形成椭圆状的干涉结构.

简正波的干涉特性及耦合机理

简正波理论对计算海洋声场十分重要,本文利用镜像法推导了简正波方程,得到的结果与求解赫姆霍兹方程得到的结果一致,利用镜像法可以准确直观地理解简正波的物理意义。简正波是海洋界面反射波在海洋中发生干涉现象形成的,其原理和光栅衍射类似。简正波耦合的机理是海洋介质的不均匀性造成简正波产生附加相位变化,破坏了不同简正波之间的正交性。

耦合Galerkin简正波解的抛物方程方法水下声传播计算

研究水平变化的海洋环境下声传播的计算方法.把Galerkin方法的简正波解应用于耦合简正波抛物方程,可同时考虑海水和海底声场计算,对水平变化的海洋环境问题的数值计算表明,在包含海水和海底的声场计算中该方法的计算结果都具有较高的精度.

水平变化双层波导声传播问题的耦合简正波解

为了验证现有模型的精度,导出了全反射下边界双层波导中简正波耦合矩阵的解析表达式,并将其应用到全局矩阵耦合简正波模型(Direct global matrix coupled-mode)中,使得该模型可以提供水平变化双层波导问题的标准解。文中首先利用COUPLE的简正波及耦合矩阵数值解验证了该简正波及耦合矩阵解析表达式的正确性;其次,采用改进的DGMCM模型求解了双层波导海山声传播损失,结果表明,改进后的DGMCM模型可以非常精确地求解水平变化双层波导问题,可作为求解此类问题的标准模型使用。

倾斜弹性海底条件下浅海声场的简正波相干耦合特性分析

建立了一种适用于复本征值情况下的弹性耦合简正波声场模型,给出了包含泄漏模态时弹性简正波的归一化和耦合系数表达式,耦合系数满足声能流守恒.利用该模型分析了倾斜弹性海底条件下声场的简正波相干耦合特性,发现考虑泄漏模态时,简正波耦合不仅会导致简正波幅度变化,而且也会带来附加相移.仿真计算表明:其一,在倾斜弹性海底条件下,考虑泄漏模态耦合附加相移影响后得到的声传播损失更接近有限元商用软件的计算结果;其二,耦合大大提升了界面波的幅度.此外,本文还分析了海洋环境参数变化对声传播损失的影响.

利用声场简正波幅度起伏反演内波传播速度

针对内波参数声学反演方法缺乏有效的试验验证问题,本文对Rouself等推导的单一内波环境下非线性内波速度与声场简正波起伏周期成正比关系的适用条件进行了讨论,提出多种内波共存环境下内波传播速度的声学反演方法,当非线性内波引起声场简正波耦合时,可通过提取单阶简正波起伏周期来反演内波速度。利用2011年黄海内波(内潮和非线性内波)与声场起伏同步观测数据,成功实现了黄海内波传播速度的声学反演,验证了多种内波共存环境利用简正波幅度起伏反演内波传播速度的可行性。

基于声传播损失的南海海域地声参数敏感性分析

以中国南海地声-水声联合调查实验数据为基础,利用多道地震数据偏移成像以及浅地层剖面数据反演获取了一个分层地声模型。通过设定该模型各层地声参数的参考值和变化区间,结合实测的水体声学参数,利用Krakenc耦合简正波模型计算了不同地声参数下的声传播损失;分析了理论与实测声传播损失均方根误差随地声参数的变化规律以及均方根误差的区间分布情况。研究结果表明:对于频率100 Hz的声传播,地声模型第一层和第二层沉积层的声速对声传播损失影响最为显著;第一层和第二层沉积层衰减系数、厚度对声场的影响次之;基底对声场的影响最小。本文在接近真实海底的环境下研究了海底各分层结构中地声参数对声场的影响,可为建立海洋环境地声模型提供一定的依据。

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100Hz,高度为100m,水下接收器深度为30m,声源与接受器距离在5km内。计算表明:5m/s风速下风浪对接收到的平均声压和均方声压影响较小;10m/s风速下风浪将使接收到的平均声压下降约5dB,而接收到的均方声压则增加约1dB。

水平变化波导中一种声场计算方法的数值实现

全局矩阵方法计算水平变化环境中的声场具有稳定性好、速度快、精度高等优点,在数值实现中如何快速、准确的求解大规模矩阵是该方法的一个关键问题。本文针对全局矩阵的特点,分别利用两种矩阵求解器,PARDISO和LAPACK,求解该问题。经过比较和讨论,得出结论:LAPACK对于全局矩阵的求解更有优势,求解速度快,而且可求解问题规模相对较大。使用不同的数值实现方法计算了楔形波导的传播损失(ASA标准问题),与解析解比较,证明全局矩阵方法计算精度很高。

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.

非线性内波引起的浅海混响强度异常震荡

为了解决浅海环境中,海底混响和杂波对限制主动声呐探测性能的干扰,本文研究了浅海中移动的非线性孤子内波引起的海底杂波和海底混响强度的变化规律。针对收发合置的海底混响,本文以简正波混响模型为出发点,通过引入耦合矩阵的理论推导,表征了孤子内波对声场各模态间的能量交换,给出了孤子内波引起的海底杂波的物理机制,得到了震荡周期和内波的移动速度之间的关系式。仿真结果表明:非线性内波会导致强杂波,并引起杂波后的平均混响强度异常震荡。研究为识别内波导致的强杂波干扰、利用混响对孤子内波进行测距和测速提供了一种可行的理论机制。

一种水平变化可穿透波导中声传播问题的耦合简正波方法

通过利用标准简正波程序KRAKEN计算本地简正波解及耦合矩阵,进一步发展了求解水平变化波导中声场的全局矩阵耦合简正波方法(Luoetal.,"A numerically stable coupled-mode formulation for acoustic propagation in range-dependent waveguides,"Sci.China-Phys.Mech.Astron.55,572(2012)),使得该方法可以处理具有可穿透海底及随深度变化声速剖面等实际问题,并提供声场的完全双向解.本文还给出了双层波导中耦合矩阵的解析表达式,并利用其验证了本方法中耦合矩阵数值算法的精度.最后,利用改善后的全局矩阵耦合简正波模型(DGMCM)计算了美国声学学会(ASA)提出的可穿透楔形波导标准问题,将所得数值解与参考解比较,结果表明DGMCM方法可以精确处理水平变化波导中声传播实际问题.

基于WKBZ理论的耦合简正波-抛物方程理论

研究水平变化海洋环境中声传播的快速数值预报方法 .在广义相积分(WKBZ)理论的基础上 ,提出了一种能够快速、准确地求解简正波本征值的方法 ,并将此方法应用于耦合简正波 抛物方程 (CMPE)理论 .分析了两种典型声速剖面的简正波本征值 ,并计算了一个楔形海区中的声传播问题 (JASA标准问题 ) .计算结果表明本方法是一种快速而精确的数值方法 .

水平变化波导中多声源问题的耦合简正波解

本文提出了一种精确、高效的耦合简正波方法,用于求解水平变化波导中多个声源存在时的声传播问题.为了处理多声源问题,修改了全局矩阵矩阵耦合简正波方法中的线性系统方程.修改线性系统方程所增加的计算量可以忽略不计,因此当多个声源存在于水平变化波导时,通过一次性求解修改后的线性系统方程能够高效地得到声场解.数值结果表明,该方法具有极高的计算精度,并且能够处理现有声传播模型不能高效解决的某些多声源问题.该模型可提供声场的标准解,用于验证其它声传播模型处理多声源问题的计算精度.此外,该模型可应用于三维声传播建模,来处理声源阵产生的波束在实际波导中的传播和散射问题.

浅海远程海底混响的耦合简正波模型

利用耦合简正波理论,分析由海底不平整所产生的散射形成的海底混响,由此模型得到的关于混响强度衰减及其空间相关特性的理论仿真结果与经典简正波混响模型吻合较好,并得到了海上实验结果的验证.通过理论和实验数据,重点分析了收发间距,脉冲信号带宽对混响强度及其衰减特性的影响,结果表明此模型对于收发合置、分置远程海底混响的分析均适用.

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。

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。

海水吸收对远距离水下声场计算的影响

低频声波在海水中短距离传播时,海水吸收对声场的影响几乎可以忽略。但是在实际传播中,传播距离可能达到数百甚至数千千米,此时海水吸收会对声场带来较大影响。在这种情况下,如果选用的水下声场计算程序忽略海水吸收,则远距离的声场计算结果会存在明显误差。分别比较了全反射理想波导和深海Munk声速剖面环境下几种常用声场计算模型的结果,验证了海水吸收对远距离声场计算的影响;然后通过给抛物方程RAM模型增加海水吸收,使RAM更加适用于远距离声场计算。给出的数值算例的计算结果显示,改进后的RAM模型得到的传播损失与已经包含了海水吸收的简正波模型COUPLE及波数积分模型SCOOTER给出的结果一致,表明改进后的RAM模型引入了正确的海水吸收,从而可以更精确处理远距离声传播问题。