基于Scholte波频散特性的深海海底横波速度反演

深海环境下海水的声波速度是非匀速的,变速的海水会影响海底Scholte波的频散特性,为了提高利用Scholte波频散特性反演海底横波速度的精度,需建立速度连续变化的水平分层海水-分层海底(HLSLS)模型。本文基于波动理论推导HLSLS模型Scholte波频散方程和振幅深度方程。然后,基于南海海水声速剖面和实际海底弹性介质参数,分析深海环境海水速度变化对Scholte波频散特性的影响。最后,将方法用于南海深水OBS地震数据反演得到一条二维海底横波速度剖面,反演结果很好的指示了海底天然气水合物储层的分布。结果表明:深海环境下,利用海底OBS数据中的Scholte波反演海底浅层横波速度结构是可行的,南海实际深水OBS数据应用进一步验证了方法的准确性和实用性。

沉积层海底界面Scholte波水池实验

海底界面Scholte波具有衰减小、传播距离远等特点,可应用于水下目标探测与海底参数反演。在实际海洋环境中,海水与弹性海底之间的沉积层会对Scholte波的激发和传播产生显著影响。该文利用缩比原理设计并开展水池实验研究,将实际海洋环境按1:5000的比例缩比至实验室水池尺度,利用声压场Scholte波识别方法在包含沉积层的实验环境下对Scholte波的激发与传播规律进行探究。实验结果表明,该实验条件下,1 mm厚度的沉积层时海底界面依然有Scholte波激发,但沉积层的存在会增大其衰减;而厚度超过1 mm的沉积层会导致Scholte波无法激发。根据缩比原理,实验环境对应为声源频率10 Hz、水深3000 m、沉积层厚度5 m的实际海洋环境,即在上述实际海洋环境中,海底界面Scholte波仍可以正常激发,而厚度大于5 m的粉沙质沉积层会导致Scholte波无法激发。

水平层状海底Scholte波频散特性

海底Scholte波沿着海底流—固界面传播,具有典型的频散特性。Scholte波的频散特性可以反演海底浅层的横波速度,是海底横波速度建模的有效手段。建立准确的Scholte波频散理论模型至关重要。根据真实海水—海底环境建立水平层状海水—海底弹性模型,并利用边界应力和位移连续性条件推导了该模型的Scholte波频散方程及位移方程。分析了海水深度和海底物性参数对Scholte波频散特性的影响,6层海水—海底模型实验结果表明:①无论是硬海底还是软海底,Scholte波都具有明显的频散特性,硬海底Scholte波能量主要集中在海水中,基阶能量最弱,2阶能量最强,随着海水深度增加,Scholte波频散特性减弱;软海底模型固体海底的Scholte波能量明显增强,此时海水深度对Scholte波频散特性影响很小。②相比于深海环境,浅海Scholte波能量更强,频散特征更明显,因此在浅海环境利用Scholte波反演海底浅层横波速度的精度和可信度更高。最后,基于东海某工区的实际海底弹性地质模型模拟海底多分量地震数据并从中提取频散曲线,与理论计算的频散曲线进行对比分析,二者的频散曲线吻合很好,验证了所提理论方法的正确性。

Scholte波识别水池缩比实验

该文基于简正波分离识别Scholte波的方法,分析了之前Scholte波识别水池缩比实验结果中出现较大误差的原因,提出从声场中优先提取其他阶简正波的方法来改善实验结果、降低实验误差,并证实增加合成孔径垂直阵采样点数至119点(一次采样期间首末阵元信号保持良好相关性),有助于改善水池Scholte波识别误差,从而使水池Scholte波识别缩比使实验结果与理论值更为接近。水池缩比实验的结果证明该方法改善了Scholte波识别实验的结果,降低了声源深度较浅、Scholte波激发较弱时的实验误差,使水池缩比实验简正波分离识别Scholte波的方法更加可靠。

海洋环境参数对Scholte波特性的影响

采用半无限海底的Scholte波模型并将其推广至分层海底,在直角坐标系下利用流体和弹性体中的波动方程,提出基于水平分层弹性海底模型的Scholte波的求解方法,结合简正波理论分析了Scholte波的频散特性及其质点运动轨迹和质点位移的传播特性,并分析了海洋环境参数(声速与海底参数)对Scholte波传播特征的影响.结果表明,Scholte波受海底介质中横波声速的影响最大,其频散曲线转折点可用于估算弹性沉积层厚度.

Scholte波波速和孔隙度关系的建立及实验验证

随着声学技术的快速发展,界面波在无损检测及环境参数反演领域的应用越来越广泛,但是目前理论与实践之间还存在一些差距,首先对基于Biot理论的流体饱和多孔介质声传播特性的理论进行了仿真分析,然后运用势函数结合多孔介质固体-流体边界条件建立了两半无限空间流-固界面Scholte波理论模型,最后对这一理论模型进行了实验验证。仿真结果表明:声波频率对各种波速几乎没有影响,但各种波速随孔隙度的变化较大;通过实验验证:Scholte波波速理论值与实际测量值之间的相对误差不超过0.24%。

浅海Scholte波的频散特性研究

为了研究Scholte波在浅海传播过程中的频散特性,基于海底半无限空间模型推导了Scholte波特征方程,对两种典型弹性固态海底条件下Scholte波的频散特性进行仿真计算。利用小波变换对试验数据进行时频分析,确定了Scholte波能量集中的频段。采用滑动窗分析法研究Scholte波的频散特性。对湖上试验数据分析发现,Scholte波能量主要集中在5~15 Hz,其中在5~10 Hz存在明显的频散现象。结果表明:湖上试验分析与理论仿真结果的频散规律一致,滑动窗分析法可用于分析Scholte波的频散特性。

两种声场模型下环境参数对Scholte波传播特性的影响

为了研究海洋环境参数对Scholte波传播特性的影响,首先在Pekeris海洋声场模型的基础上,建立了含沉积层的两层海底声场模型;然后,基于波动理论给出了Scholte波频散特征的求解方法;最后,分析了两种声场模型下环境参数(纵波声速、横波声速、密度、沉积层厚度、海水深度)的变化对Scholte波传播特性的影响。结果表明:两种声场模型下Scholte波均存在低频截止和频散现象,且能量主要集中在一个波长深度内,沉积层中横波速度的变化对Scholte波相速度影响最大。

浅海舰船地震波中Scholte波识别技术研究

根据浅海舰船航行过程中引起的海底振动所形成的舰船地震波,对界面波的识别技术进行研究。提出了基于两个传感器采集到的时域信号人工合成地震记录,采用τ-p方法实现Scholte波的提取,利用匹配追踪方法和魏格纳变换对Scholte波进行识别,实现了两个传感器对多道地震记录的合成,通过匹配追踪方法和魏格纳变换对τ-p变换提取出的Scholte波进行识别,从而精确提取出了Scholte波的频率、速度、能量。

浅海中声源激发的Scholte波频率特性研究

为了研究Scholte波能量集中在甚低频段的特性。基于浅海声场模型,利用高阶交错网格有限差分算法,仿真分析了硬海底和软海底条件下Scholte波的幅度与声源频率之间的关系。结果表明:两种海底条件下Scholte波的幅度均随声源频率增加而逐渐减小;开展海上气枪和货轮激发Scholte波的试验,气枪试验分析结果表明:Scholte波受声源频率影响较大,声源频率越高越不利于激发产生Scholte波;货轮试验分析结果表明:Scholte波的能量主要集中在10~25 Hz,频域特征稳定,传播距离远、衰减慢,当货轮由远及近航行时Scholte波能量由弱变强,呈现与货轮航行状态相符的变化趋势。

流-固耦合波动模拟及Scholte波特性研究

基于流-固耦合波动勒让德谱元模拟方案,通过数值算例研究了流-固界面上方震源作用下Scholte波的形成机理和特性。数值结果表明,当流体中P波波速大于固体S波速时,沿流-固界面法线方向,Scholte波的幅值在流体中的衰减速率大于固体,反之则小于固体。在此基础上,初步讨论了流体震源到流-固界面的距离与Scholte波波长比值这一参数对Scholte波幅值的影响,Scholte波幅值随该比值增加呈指数衰减,对该比值大于1.5的情形,流体震源激发的Scholte波基本可以忽略不计。上述结果对深入分析海底地震动震相具有一定意义。

地震波初至波与scholte波的时差提取研究

通过对初至波与scholte波到达时刻提取的方法研究,提出计盒分形维数算法和修正后的平滑伪魏格纳分布时频分析算法分别对初至波和scholte波到达时刻进行提取,两者时差主要应用于水下舰船目标探测研究。在此背景下,通过模拟浅海海底环境进行地震波数据采集,并拾取初至波与scholte波,获取两者时差,从而验证了所提算法的有效性。

用τ-p变换提取水中声源激发的海底Scholte波

水中声源激发的海底地震波场成分复杂,为了将Scholte波从地震波场中分离出来,基于τ-p变换法,先将波场从t-x域变换至τ-p域,利用Scholte波与其他波在该域中的特性差异,提取Scholte波,然后将其反变换回t-x域,从而获得Scholte波。针对τ-p变换过程中固有的假频效应和端点效应,理论分析了各自的产生机理,分别采用限制波慢度和添加时间窗等方法抑制这两种效应。基于高阶交错网格有限差分法,给出了水中脉冲声源激发出的地震波场,并分析了其波动成分及特性,利用上述方法提取地震波场中的Scholte波,仿真结果证明了该方法的有效性。

基于f-k变换Scholte波参数提取优化

为提高在浅海环境下海底地震波采集效果,建立含有多种波动成分浅海声场模型,地震波包括横波、纵波、表面波即Scholte波.利用归一化法,Z-Score法对采集地震波信号预处理,得到震动幅值峰值降低,曲线更为平滑的震动曲线.理论推导和仿真数据结果表明:由Z-Score法预处理震动数据,经f-k变换得到f-k谱与归一化法预处理相比,f-k谱能量更为集中,分布更均匀,有利于Scholte波频散曲线提取.Z-Score法能提高Scholte波频散曲线提取效果.

基于Scholte波频散特性的测距方法研究

针对具有弹性海底环境中水中低频宽带脉冲信号,研究基于Scholte波频散特性的被动测距方法。以简正波理论为基础,将海底地震波拾振器接收的时域信号表示成Scholte波与简正波之和,采用时频分析方法提取Scholte波与简正波到达时间,分别利用Scholte波不同频率处到达时间差以及Scholte波、简正波同频率到达时间差进行声源距离估计。对具有弹性海底的Pekeris波导环境中的脉冲声源进行仿真分析,结果表明,利用Scholte波不同频率处到达时间差以及Scholte波、简正波同频率到达时间差均可以有效进行声源距离估计,两种方法的距离估计结果不同,但测距误差均小于2%。

液浸多层薄膜-基底结构中Scholte界面波特性研究

多层薄膜-基底结构在工业领域有广泛应用,其中薄膜的厚度与弹性参数等特性对结构与器件性能有显著影响。但对多层薄膜材料参数进行无损定征较为困难。考虑界面波对界面附近材料特性敏感的特点,以及分层薄膜导致液固界面Scholte波频散与分层材料速度分布密切相关等因素,文章首先利用全局矩阵理论分析了分层结构中的声传播,并给出界面上脉冲激励的声压表达式,据此对水浸双层薄膜-基底三层结构材料声速呈正梯度、负梯度、随机分布三种结构中液固界面Scholte波的频散曲线进行数值计算。进一步详细计算了法向脉冲线源激发的界面波瞬态信号随薄膜厚度的变化。结果显示,三种结构中两层薄膜厚度均对液-固界面波频散特性有显著影响,同时不同膜厚对不同频段的Scholte波的“捕获”作用(频率选择性)十分明显。该结果为进一步利用Scholte波频散特性进行多层薄膜厚度定征提供了理论依据。

Scholte波与含泥沙两相流介质属性关系的分析及仿真验证

基于四种超声悬浮液模型Urick,Urick-Ament,HT,Mcclements分析了Scholte波在两相流体与多孔介质固体界面处的传播特性.结合各模型的复波数表达式建立含泥沙流体-多孔介质固体界面波特征方程,分析了Scholte波速与两相流体积含量、粒径等介质属性的关系.通过仿真实验获得界面波信号,运用时延估计获得Scholte波速与泥沙含量、粒径的关系,发现所得的波速与Urick-Ament和HT理论有相对好的一致性.

声源对浅海地震波传播特性的影响研究

为提升水雷的探测能力,利用浅海地震波识别水下目标声源,研究声源高度和频率对浅海地震波的影响。采用交错网格有限差分方法对波动方程进行离散求解,实现不同高度和不同频率声源形成的浅海地震波在砂岩介质中传播过程的仿真模拟,并利用f-k频散能量提取方法,获得浅海地震波的频散能量图。结果表明:声源高度和频率均会影响浅海地震波的传播特性,但对其波速、频率集中范围和极化特性影响较小,Scholte波稳定的波速为1088 m/s,Scholte波振幅的频率范围在5~30 Hz之间;随着声源高度和频率的增加,形成的Scholte波在水下界面信号减弱。研究结果可为水雷引信的研制提供理论依据。

水下目标诱发低频舰船地震波传播特征简析

水下目标航行时所产生的低频振动噪声在水中向下传播,在海底界面处通过声-弹耦合作用诱发海底舰船地震波。其作为一种新型的舰船物理场,具有传播距离远、稳定性高、可预测性好且无低频截止干扰的优势,携带丰富的有效信息。为更清晰认识水下目标诱发的低频舰船地震波,在弹性波动理论下基于平面波基本假设,构建了水下目标航行激发产生的低频舰船地震波传播模型,对海底界面处地震波反射透射、界面波特征等进行定量研究,并结合特征方程的解析结果进一步认识舰船地震波场的模式组分、传播特征及敏感特性等,从而对低频舰船地震波场进一步定量认识。

基于两种海底介质的地震波传播特性研究

为了解不同海底介质下浅海海底地震波的传播机理,首先从理论上分析了海底地震波的存在条件及其波动成分;然后求解了海底地震波的质点位移分布和运动轨迹。结果表明:硬质海底条件下,海底地震波的波动成分有Scholte波和简正波,具有频散现象,同时存在低频截止现象,并且Scholte波的截止频率比简正波低;软质海底条件下,海底地震波的波动成分只有Scholte波;两种海底条件下海底地震波的振动质点都沿椭圆轨道运动。