关于浅海沉积层对声场影响的讨论

一、引言 水声学通常将海底对声场产生巨大作用的海域称为浅海.在我国南海海域存在着一类比较特殊的浅海海域,如图1所示.它的海深大约2km,象深海一样存在着声道,海面处海水的声速一般比海底处的大.海底有一沉积层,沉积层下面是半无限基底.海面处的海水声速与沉积层的声速接近.在这类浅海中,海水表面附近的声场对海底参数的变化非常敏感.对于这一类的浅海声道,最有效的计算模型是简正波模型.目前流行的简正波模型非常多,每一种模型都有各自的优缺点.这类海域的声场计算需要尤其慎重,必须选择合适的简正波模型.本文首先讨论简正波模型的选择问题,然后利用数值模型的方法研究了沉积层的声学特性对声场的影响.     

基于简正波分析的海底参数反演

由于不同简正波存在的群速度差异,可以从到达时间结构上将它们分离开,提取相应的简正波参数.本文主要是对2002年1月黄海北部海域声传播实验数据进行处理,利用接收到的爆炸声传播信号,分析低阶简正波的频散关系,并根据其反演得到海底声速,结果同以前利用声传播损失的参数反演结果吻合.     

利用声场的水平纵向相关性反演海底参数

1引言 浅海环境中,海底底质的声学特性对浅海声场有决定性影响,进一步影响着海洋声遥感及声纳的作用距离.由于海底参数很难大面积直接测量,而利用声学反演的方法可以大范围的估计海底参数,有海底取样测量无法比拟的优点.近年来,有关海底参数的声学反演方法的探索和研究已成为国内外水声学家研究的热点问题.有多种反演方法相应被提出并应用于某些特定海区,如:匹配场反演、近场脉冲声反演、传播损失反演、简正波过滤技术反演及声场垂直相关性反演等等.但是,基于水平纵向相关来反演海底参数的方法还未见有报道.分析其中的原因,可能是由于在通常海域声场的纵向相关半径远大于实验中用到的水平阵长度.考虑到声场声信息国家重点实验室在2002年8月的一次浅海实验中的海深只有4.5m,而布放于海底的光纤水听器阵列长达100m,水平阵阵长大于20倍的海深.我们在研究其水平相关性时发现:不同频率下的水平纵向相关随水平间距变化呈现出特定的振荡现象,这种振荡现象与海底的声学特性密切相关.基于以上考虑,本文试图通过声场的水平纵向相关性来反演海底参数并给出了初步的研究结果.结果表明该方法有一定的可行性.     

浅海低频声场的水平纵向相关性

基于一次浅海声学实验数据,研究了浅海低频声场的水平纵向相关特性。利用简正波干涉理论,对实验结果中声场水平纵向相关的振荡结构与强烈起伏现象进行了分析与解释。声场水平纵向相关的振荡结构是由简正波干涉所致,该实验结果进一步验证了该现象在浅海低频条件下的普遍性。当实验中采用的爆炸声源的标称深度位于声场中某号有效简正波的一个波节附近,声源实际爆炸深度的较小变化引起该号与其它号有效简正波幅度比值的较大变化,从而在有效简正波号数较少的情况下引起了声场水平纵向相关的强烈起伏现象,该现象表明在一定条件下声源深度是浅海低频声场水平纵向相关的一个敏感参数。     

具有松散沙(泥)质海底时负声速梯度浅海中的平均声强

本文就海底为松散的沙(泥)质沉积物的情况下,考虑到声源在海水中所激发简正波数目的有限性,导出了负声速梯度浅海中简正波的平均声强的表式,明显的提示了水速简正波的平均声强具有深度结构;同时将平均声强与海底沉积物中的基本参数--孔隙率,颗粒大小,颗粒密度,颗粒容积弹性模量,海水的密度和粘滞系数,等--联系起来.理论的结果得到实验数据的支持.     

斜坡海底对声场水平纵向相关性的影响

利用数值仿真分析和总结了不同斜坡海底条件下声场水平相关性随水平间隔和传播距离的变化规律,并利用楔形简正波理论对海底倾斜引起的声场水平纵向相关变化机理进行了解释.研究结果表明,上坡和下坡地形的声场水平纵向相关性具有很大的差别.与水平海底相比,下坡海底会增加声场水平纵向相关性,上坡海底会减小声场水平纵向相关性.有效简正波之...     

底质坚实的浅海中的声传播

在离开Yucatar半岛的Campeche海堤处的浅海中做了一项实验,此项实验是为了测量简正波幅度函数和衰减系数而设计的。测量是在海堤的两个测位上进行的,该处水深约30米;下面是坚实的石灰石底,其中已测得声速为每秒1900米。所用脉冲连续波信号的频率是400赫,750赫和1500赫。利用海底液态模型而计算得到的简正波幅度函数理论值同测量值符合得很好。为了使所测得的简正波衰减系数同理论值相一致,需要假设该海底的切变速度是每秒钟1000米.此值低于水层中的最小声速,所以海底中传播切变波的产生是引起衰减的主要机制.在两个测位上测得的简正波衰减系数有着显著的差别,这可以用水层底部低速声道的深化来解释.     

三维浅海简正波混响模型

推导了浅海简正波混响模型,模型计算了从声源到浅海水底散射域声波能量的传播及其反射过程。在散射域,考虑了复本征值,有效的简正波对入射波和混响强度的影响。并且将简正波分解为上行波和下行波,利用下行波和Lambert散射定律,计算海底散射后接收的混响强度,其结果与收发同置的水听器接收数据一致。所得出的混响强度模型,物理意义清楚,形式简单,具有较强的普遍适用性。     

AEYFI 05实验‘温度-声简正波传播时间''起伏特性研究

处理分析AEYFI 05声学实验温度链和声传播数据,研究温度时-空间统计、相关特性及其声传播时间统计特性。分析表明1号声简正波的传播时间起伏的功率谱与温跃层附近温度时间序列的功率谱存在明显的相似：在高频区域f〉30cpd呈ω-β（β≌1.7-1.8）的幂次衰减,包含相干结构。应用简正波传播时间与声速起伏的对应关系式,给出了上述对应关系的理论解释。     

马大猷当选美国声学学会荣誉会士颂词

由于马大猷在声学领域的卓越造诣和领导地位,以及对室内声学中简正波理论与微穿孔理论的贡献,于美国声学学会第163届年会(在中国香港联合举办的ACOUSTICS 2012 HONG KONG大会,2012年5月16日)上,当选为美国声学学会史上     

典型浅海波导中的warping变换

0引言近年来,利用warping变换进行简正波模态分离的方法被应用于目标定位、海洋环境参数反演等水声学应用中。文献[1,2]以理想波导中的简正波频散关系为基础给出了warping变换的公式,而文献[3]推导出了Pekeris波导的warping变换形式。与上述文献局限于理想波导或Pekeris波导的warping算子不同,本文利用BDRM(波束位移射线简正波)理论推导出更具普遍性的典型浅海波导中的warping变换的表达形式。     

浅海波导远程信混比预报模型

浅海主动探测时,海底混响是目标回波的主要背景干扰,信混比影响主动声纳的性能.混响和目标回波都属于海洋中的散射问题,利用简正波方法,结合平面波散射函数建立了浅海远程信混比预报模型,实现了不同环境参数下信混比的量化分析.仿真比较了不同信号形式、频率以及不同海底底质下的刚性球信混比曲线,从理论上分析了回波随距离的振荡现象.结果表明：用无指向性的声源探测目标时,信混比较低,探测较为困难;宽带信号照射下目标回波更加平稳;简正波之间的干涉导致回波随距离发生振荡,频率越高,干涉结构越复杂;在硬海底环境中信混比相对较小且目标回波振荡剧烈.     

由爆炸声源及传播损失反演海底声学参数

以2001年东中国海（ECS）一次浅海声学试验（ASIAEX）获得的爆炸声源的声信号和声传播损失,进行海底声学参数反演。对宽带爆炸声源（WBS）进行研究,由爆炸声源的声信号提取出海底反射波与直达波,从而得到海底垂直反射系数,结合Hamilton的经验公式反演出海底等效声速和密度。反演所得结果与海底取样结果相近。由传播损失反演海底声衰减,选取适当的代价函数,调整声衰减,使得代价函数最小,从而反演出海底声衰减。运用反演得到的海底参数计算的传播损失值与试验结果符合较好。     

随机浅海声传播简正波起伏

随机浅海环境中声传播起伏的研究,对于随机海洋环境声场预报及海洋环境参数反演和遥测都有十分重要的意义。文中对随机浅海中声传播的简正波起伏进行了研究,利用L.B.Dozier统计耦合模式方程,通过MonteCarlo数值模拟分析声速场随机变化所产生的声场起伏规律。随机声速场模型由海上温度链测量数据统计规律分析得到。结果表明,声速场随机起伏所导致的简正波幅度起伏远高于声压的起伏;当声源处在某一阶简正波的敏感深度位置时,该阶简正波的闪烁系数会比简正波幅度起伏方差高2～3个量级;在所分析随机声速场模型下,声压起伏方差、简正波幅度起伏方差及简正波闪烁系数随距离的增加基本上是线性增大。     

一种基于波数积分方法的线源声场计算方法

提出了在Pekeris波导条件下,一种基于波数积分方法的线源声场中的稳定数值计算方法。通过对深度格林函数中上行波与下行波的归一化,得到稳定的系数矩阵,从而求得格林函数的解析解。对深度格林函数进行模式展开,验证了该方法得到的深度格林函数解析解的准确性。结合仿真实例,将该方法得到的波数积分模型与传统简正波模型KRAKENC的结果进行比较,结果显示,当某号简正波的波数与海底波数接近时,KRAKENC计算不出该号简正波,会导致KARKENC的计算结果不准确,而波数积分方法可以很好地解决该问题。因此,提出的方法可以作为Pekeris波导中线源激发声场的标准模型。     

浅海内波对环境噪声水平方向凹槽的影响

典型夏季海洋环境噪声垂直指向性水平方向经常出现一显著凹槽。采用三维声速场海洋环境噪声理论模型,分析了各阶简正波对垂直指向性的贡献,指出不同阶简正波的贡献不同,高阶简正波是形成水平方向凹槽的主因,低阶简正波起填补环凹槽的主要作用,无内波时海面噪声源激发低号简正波的能量较低,填补能力较差,水平凹槽显著;内波活动期,内波改变了声信号的传播路径,引起不同阶简正波耦合,低号简正波能量增强,其填补噪声水平凹槽的作用明显加强,高阶简正波能量减少,凹槽变浅。还探讨了凹槽填补程度与内波强度之间的关系,以及有内波时环境噪声垂直指向性随时间的变化。     

三维耦合简正波-抛物方程理论

引言 海洋中存在着非常复杂的海底地形、底质变化、以及声速剖面的三维变化.这些环境变化会对声传播产生强烈的影响,人们因此不得不考虑三维海洋环境中声场计算的问题.Abawi等[1]将耦合简正波理论和抛物方程方法结合起来,提出了耦合简正波-抛物方程(CMPE)理论.CMPE理论在垂直方向采用本地简正波分析,在水平与方位角方向采用抛物方程方法求解简正波幅度方程,可以充分发挥抛物方程法水平方向计算速度快的优点,并克服抛物方程在频率增高和海深增加时计算速度急剧下降的缺点.彭朝晖等[2]在此基础上,结合我国学者提出的广义相积分(WKBZ)理论[3]和波束位移射线简正波(BDRM)理论[4],提出了一个快速预报声在水平变化海洋环境中传播的数值方法.本文在文献[2]工作的基础上,将二维问题推广至三维(CMPE3D).     

海底沉积物声学性质测量技术评述

由于资源勘探、军事应用、岩土特性声学调查和声波传播理论研究等的需要,多年来人们一直在进行海底沉积物声学性质的测量。对海底沉积物声学性质的取样测量技术和原位测量技术进行了叙述,分别总结了两种测量技术存在的问题,认为下一步有必要发展海底沉积物低频声学性质的直接测量技术,建议在原位测量海底沉积物声学性质参数的同时测量其他性质参数以便于对比研究,并设法提高原位测量的工作效率。     

海洋声学中的声强——距离关系

本文提出了一种水深和声速为常量的通用图,其中距离和频率是对水深的标量。描述了五个声传播区域;球面扩展区,柱面扩展区,由于简正波的剥离而形成的3/2规律扩展区,单一简正波区和海底路径区。利用一种考虑到各种边界损失的能流方法对传输损失的公式作了很简单的推导,与实验的声强——距离曲线作了比较,也同独立测出的声线角度作了比较,或者说是同箭正波运送能量的有效性作了比较。看来简单的公式是有意义和有用的。作为认识问题的响导尤其如此。当然还有许多重要的附加效应、例如由鱼引起的衰减。为此均按项列出。把浅海同深海的情况相比较、这些效应有所差别。在包括任意深度剖面的倾斜海底上对简正波剥离作了专门的分析。     

改进粒子滤波在海底地声参数反演中的应用

海底地声参数作为海洋声信道的重要组成部分,很大程度上决定了海洋声传播特性。地声参数可以通过反演算法获得,与距离相关的地声反演问题近年来是研究的热点。粒子滤波是一种高效的序贯寻优算法,可以在海底声学特性随距离缓慢变化情形下,有效解决地声参数的估计问题。但当海底声学特性随距离变化剧烈,如沉积层分层情况发生改变时,传统的粒子滤波则可能失效。为解决此问题,有文献使用了带桥接重采样的粒子滤波反演地声参数。文章在此基础上进一步改进了粒子的采样方式,并将此方法应用到基于海底反射系数的反演中。通过仿真数据处理结果证明,文中提出的改进粒子滤波在地声参数随距离变化剧烈的情况下仍具有较好性能,可以准确地估计海底特性随距离的变化规律和海底沉积层的声学参数。