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水下声场的标量、矢量特征及其变化规律的研究

黄锐  
【摘要】:随着矢量水听器的出现,矢量信号处理技术得到较快速的发展,把原来已知标量信号声场特征拓展延伸至矢量领域。人们发现利用声矢量信号,无论在信号检测领域还是噪声测量领域,都可以获得比标量信号更高的信噪比。那么,声矢量信号在声场中的传播影响因素是什么?其变化规律又如何?特别是在浅海波导声场中的表现特征和变化规律,与标量声压信号相比的异同之处,都是人们研究如何更好的利用声矢量信号的优势应回答的问题。显然,这些问题对于进一步完善与充实矢量声学的研究内容也具有特殊的意义。 从我国海岸线绵延数万公里到经济专属区数百公里的区域,这大部分海域为浅海。因此,论文以浅海波导声场环境为研究背景,结合射线声学理论和简正波理论,建立了基于虚源法和有限差分法的浅海波导矢量声场模型,给出了浅海矢量声场中声压和水平、垂直质点振速表达式。通过仿真计算在理想波导环境中当不同水平距离、深度距离和频率情况下,以及其它环境影响因素的情况下,如:粗糙边界、声速变化、海底不同介质、海底吸收等。讨论了射线模型和简正波模型的声压和水平、垂直质点振速在声场中的传播特性,分析声压与振速幅值和相位特征关系。进一步揭示了在低频波导简正波中声强的传播特性,并通过外场试验对理论结果进行了验证。 论文研究了近场声能量传播特性,揭示了复声强各个分量之间的关系,以及各分量对声能量传播的影响。在此基础之上,进一步探索了声质点运动旋度的物理意义,通过仿真计算,分析在浅海环境下目标辐射矢量声场模型中声质点运动旋度随距离的变化情况。通过对声质点振速谱密度矩阵分解等方法,得到声质点运动转化表征,如:声波声质点运动转化程度、声质点转化比例成份、声质点转化量值‘熵’等。通过仿真,得到了声波质点运动转化程度、声质点转化量值‘熵’与声质点转化比例成份的关系。


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