空气中声源产生的水下声场建模与分析

【摘要】： 设计良好的水下对空声探测系统，需要深入理解空气声波透射入水规律。本论文对空气中声源水下声场的建模方法和水下声场分布规律进行深入研究。研究了空气中声源的深海声场、浅海声场建模方法，空气存在风和声速剖面时的声场建模方法，空气中高速运动声源的水下声场建模方法等，并用所建立的声场模型对空气声源的水下声场特征进行深入研究。主要研究内容和取得的成果有： (1)对空气声源激发的深海声场，用射线方法计算了折射场，并引入波动方法进行修正和补充，讨论了水下侧面波分布特征。建立了直接波数积分模型，它是声场积分变换技术的直接数值实现，其计算结果包含声场的所有成分，可作为标准解。 (2)对空气声源激发的浅海声场，建立了改进的传播矩阵快速场模型，通过修改下边界声导纳计算公式，将它推广到弹性海底情况。建立了分层运动介质的二维快速场模型和近似计算的一维快速场模型，用于研究空气中风和声速剖面对声波透射入水的影响。用建立的模型，研究了空气声源浅海声场的分布特性，讨论了浅海声场的平均传播损失、声源高度的影响、空气风和声速剖面的影响，以及空气和海水中声传播条件对水下侧面波的影响等。 (3)对空气中高速运动声源，建立了二维波数积分模型，以及远场条件的一维波数积分模型。当空气声源运动轨迹通过接收器正上方时，得到了快速场模型。用所建立的模型，对空气高速运动声源的深海声场和浅海声场特性进行了研究。在深海中，水下接收信号的幅度和瞬时频率随时间变化，变化速度与空气声源高度、水下接收器深度、声源和接收器最小水平距离等因素有关。在浅海中，由于声源的高速运动，水下接收信号的幅度将出现快速起伏，信号频率出现频移和频率展宽，这将对水下窄带检测系统产生影响。另外，在时频平面上各传播路径可能分开。对于运动声源，水下侧面波的最大多普勒频移，大于水下折射声波，与空气声波一致。 (4)对空气声波透射入水现象进行实验研究。在西北工业大学消声水池进行了声波透射入水实验，实验结果很好验证了理论预测。在陕西杨陵水上运动中心进行了空气声源浅海声场模拟实验，在水下230m远，清楚的观察到了透射入水的声信号，实验测量的平均传播损失与理论预测基本一致。