弹性海底楔形海区声场建模与水平折射对声矢量场影响分析

论文摘要

声场建模与声场分析是水声学的重要内容。由于声呐工作频率逐渐降低,而低频声波可透入海底较深处并经弹性海底反射回到海水中,故声场建模时需考虑弹性海底横波的影响。同时,声呐作用距离日益增加,而远程声传播过程中由介质水平不均匀性与海底起伏引起的水平折射效应不可忽略,故声场建模时还应考虑水平折射效应。本文围绕楔形海域声场建模及水平折射影响展开研究。首先,建立了可计算弹性海底情况下楔形海区声场的抛物方程模型。其次,为检验抛物方程模型,对计算楔形海区声场的经典方法——虚源法——进行了改进,并对比分析了抛物方程模型与虚源法的计算结果。最后,针对矢量水听器的应用需求,分析了声波水平折射对声矢量场特性的影响。具体研究内容如下:(1)具有弹性海底的楔形海区中抛物方程声场建模研究针对具有弹性海底的楔形海区,建立了基于抛物方程的声场计算模型。首先,根据弹性运动方程推导出了弹性抛物方程表达式;其次,采用坐标映射法处理倾斜海底边界条件;然后,结合楔形海区的特点对方程作Fourier变换,使三维声场求解问题简化为二维声场求解问题,再通过逆Fourier变换合成三维声场。水平波导与楔形波导中声场计算结果表明,本文模型的计算结果在一定水平开角范围内较为准确。利用Padé近似理论分析得出,Padé近似阶数取8阶时水平开角可达70~80度,且声场递推步长越小时开角越大。对楔形波导及大陆坡/大陆架过渡海域的声场计算结果表明,在水平方位角越大的方向,声波水平折射对声场的影响越大。大陆坡/大陆架过渡海域声场计算结果还表明,海底倾斜区域中的水平折射会对后续水平区域中声场造成持续影响。此外,将抛物方程模型的声场预报结果与水池实验测量结果进行对比,进一步验证了模型的精度。(2)虚源法中反射系数单值分支选取方法研究虚源法适用于楔形波导声场计算,是检验三维声场计算模型的标准模型。现有的文献仅指出虚源法中反射系数单值分支的选取应遵循“无穷远辐射条件”。学者P.S.Petrov公布了虚源法程序,并在程序中给出了一种具体的分支选取方法。不过目前公开发表的文献中未见关于Petrov程序中分支选取方法的严格证明,且该程序的声场计算结果仍存在一些扰动。因此,本文对分支选取问题进行深入分析。对于海底无吸收的情况,利用无穷远辐射条件并结合一系列数值算例,分析总结出分支选取应遵循以下原则,即透射波垂直波数与入射波垂直波数位于复平面同一象限,其物理意义是透射波垂直分量的传播方向和衰减方向总是与入射波垂直分量的传播方向和衰减方向保持一致。Petrov分支选取方法在海底无吸收时选出的分支符合上述原则,故Petrov分支选取方法适用于海底无吸收情况。海底有吸收情况下,一小部分平面波的反射系数分支无法通过上述原则来判断,不过若按照透射波垂直波数与入射波垂直波数实部同号的原则进行分支选取,仍能得到较为准确的声场解。海底有吸收情况下楔形海区三维声场计算结果表明,基于本文分支选取原则的虚源法计算结果比Petrov虚源法程序计算结果更为光滑。最后,仿真并分析了一系列海底横波声速不同的楔形波导中的三维声场,这些计算结果可用于检验其他三维声场计算模型。(3)水平折射对声矢量场特性的影响分析考虑到近年来矢量水听器的广泛应用,而声矢量场特性是矢量信号处理的理论基础,故研究了声波水平折射对声矢量场特性的影响。根据三维声传播问题与柱对称二维声传播问题的基本差异,即环境参数是否与水平方位角有关,分析出水平折射对声矢量场特性的两点影响,即质点水平位移的椭圆偏振与声能流方向的水平偏转。一方面,分析处理了质点位移轨迹测量的海上实验数据,发现不同声源位置情况下接收点处质点水平位移均成椭圆偏振。由此可知,在实际海洋环境中由于介质水平不均匀性与地形起伏,声波传播过程中总是伴随着水平折射效应。另一方面,仿真计算了ASA楔形波导空间各点处的声能流水平偏转角,结果显示部分区域声能流水平偏转角达10度以上。结合这一仿真结果,并考虑到声能流的水平偏转会导致声能流方向偏离于目标真实水平方位,可知声波的水平折射可对目标水平方位估计造成显著影响。

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摘要

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第1章绪论

1.1 立题背景与意义

1.2 海洋声场计算模型的国内外研究现状

1.2.1 抛物方程模型的国内外研究现状

1.2.2 虚源法的国内外研究现状

1.2.3 有限元法的国内外研究现状

1.3 水平折射效应的国内外研究现状

1.4 声场建模与声场分析的未来发展趋势

1.5 本文主要研究内容

第2章具有弹性海底的楔形海区中抛物方程声场建模

2.1 引言

2.2 具有弹性海底的楔形海区中抛物方程的推导

2.2.1 （Δ,v,w）格式的弹性抛物方程

2.2.2 （Λ,v,w）格式的弹性抛物方程

2.3 弹性抛物方程模型中边界条件的处理

2.3.1 边界条件概述

2.3.2 倾斜海底边界条件处理

2.4 基于Fourier变换的弹性抛物方程模型数值求解方法

2.5 数值计算结果的检验与分析

2.5.1 水平波导中声场计算结果的检验

2.5.2 抛物方程模型的水平开角分析

2.5.3 地形变化海域中声场计算及水平折射效应分析

2.6 弹性海底海域中声传播的水池模拟实验

2.6.1 水池实验概况

2.6.2 实测数据的声压传播损失计算过程

2.6.3 声压传播损失的理论结果与实测结果对比

2.7 本章小结

第3章虚源法中反射系数单值分支选取方法的研究

3.1 引言

3.2 虚源法基本理论

3.3 反射系数单值分支选取方法的研究现状

3.3.1 界面水平情况下分支选取方法回顾

3.3.2 界面倾斜情况下分支选取的难点分析

3.4 海底无声吸收时单值分支选取方法研究

3.5 海底有声吸收时单值分支选取方法研究

3.6 楔形海区三维声场计算结果分析

3.7 本章小结

第4章水平折射对声矢量场特性的影响研究

4.1 引言

4.2 倾斜界面引起的水平折射

4.3 质点水平位移偏振状态的改变

4.3.1 理论分析与数值仿真

4.3.2 质点水平位移偏振状态的海上测量实验

4.4 声能流方向的水平偏转

4.4.1 理论分析

4.4.2 楔形海区声能流分布与声能流水平偏转角仿真

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录 A

附录 B

文章来源

类型: 博士论文

作者: 唐骏

导师: 朴胜春

关键词: 弹性海底,楔形海区,声传播,水平折射,声矢量场

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: P733.2

总页数: 118

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弹性海底楔形海区声场建模与水平折射对声矢量场影响分析

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