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《哈尔滨工程大学》 2010年
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浅海甚低频声传播建模与规律研究

张海刚  
【摘要】:现在水声研究的重点之一是浅海中的声传播,随着水声探测使用的频段越来越低,声矢量传感器的广泛应用,声矢量信号处理技术的快速发展,深入研究浅海低频声矢量场特性对于低频声矢量的探测有重要价值。浅海中舰船噪声或海洋气象环境所激发的海底地震波作为一种新的舰船物理场,在水中目标探测、水雷引信设计和海洋动力学监测等方面都有很重要的应用前景。在这样的背景下,本文致力于对具有弹性海底的浅海环境中低频/甚低频声矢量场、地震波场的建模方法及传播规律进行探索和研究。主要研究内容和创新点分为如下两个方面: (一)浅海弹性海底环境中甚低频声矢量场、地震波场建模方法研究 1.建立海水中位移场、海底地震波场的快速场计算方法采用柱坐标系,建立具有弹性海底的Pekeris波导中,点源影响下海水中位移场、海底地震波场的理论模型,利用FFT的方法实现了位移场的计算。 2.建立海水中位移场、海底地震波场的抛物方程方法模型基于弹性抛物方程理论,利用反转算子方法建立了海水中位移场、海底地震波场的计算方法。该方法与位移场的数值差分计算方法相比可以采用大的步进步长,具有计算速度快的优点。利用坐标映射的弹性抛物方程方法结合反转算子方法,建立具有不规则形状弹性海底的海洋环境中位移场和地震波场的计算方法,并实现了岸上地震波场的计算。 3.利用其它理论模型和海上实验结果验证了声场计算方法的正确性利用KrakenC和SAFARI程序验证快速场模型和抛物方程方法的正确性。并进行了国内首次岸上接收水中目标辐射声波激发地震波的海上测量实验。利用布放在岸上的地震波测量系统成功地接收到了水中目标船辐射噪声所激发的地震波信号,并利用实测数据对仿真模型进行了检验,实测结果和仿真结果符合较好。 (二)浅海弹性海底环境中甚低频声传播规律研究 1.研究浅海海底地震波的激发机理。 建立具有弹性海底的Pekeris波导模型,在直角坐标系下利用流体和弹性固体中的波动方程建立了位移场的简单计算模型,研究了Scholte表面波及次表面波的质点运动轨迹和质点位移分布情况及其频散特性。 2.具有弹性海底的Pekeris波导位移场的分布规律利用快速场方法和抛物方程方法仿真计算,分析海底压缩波和剪切波声速、海水深度、声源频率、声源深度、海底声吸收系数及声速分布等参数对于水中位移场和弹性海底地震波场分布的影响。 3.具有倾斜弹性海底的海洋环境中声波能量的泄漏现象低频/甚低频声波在具有倾斜弹性海底的海洋环境中传播时,水中简正波和海底的次表面波会随着海水深度的减小出现截止现象,由简正波的理论确定发生截止现象的位置由水深与波长比确定。 4.岸上地震波场的分布规律分析了声源深度、声源频率、海底声速等对岸上地震波场的影响。本文的研究为利用声矢量场和地震波进行水中目标的探测提供物理基础。
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