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水中气泡分布的声学反演方法研究

谢萍  
【摘要】:表面破碎波将空气卷入海水中,在海表形成气泡层。气泡是海水中主要的散射体之一,气泡会对声波造成散射和衰减,影响声波在海水中的传播。同时,气泡生成或振动时产生的声音是海洋环境噪声的重要来源之一。另外海表及次表层气泡在物理海洋学研究中也有重要的作用,会影响海气之间的热量交换。因此,海表气泡分布的研究对声传播和海洋环境噪声的研究有十分重要的意义。 研究气泡的方法主要有声学方法和光学方法,本文采用声学方法进行气泡分布反演研究。首先分析了气泡的声学特性,推导了气泡分布和声衰减之间的关系公式,并总结分析了利用声数据反演气泡分布的方法——Medwin共振估计法。当气泡半径较大时,Medwin共振估计法在反演气泡分布时存在一定反演误差,在高空隙率时,共振估计反演的气泡分布偏离真实气泡分布。对此,本文在其反演过程中分别对低空隙率和高空隙率情况下进行了改进,引入声速修正和Andreeva-Weston(AW)模型修正。由数值模拟处理结果可见,改进的共振估计法能够得到更准确的气泡分布。 通过实验室测量的声数据,运用改进的共振估计法反演得到气泡分布,并对电解法产生气泡实验的反演结果,与通过光学方法测得的气泡半径范围进行了比较,两者间吻合较好。采用改进的共振估计法,对2010年8月和11月份的海上实验数据进行了处理分析,反演得到气泡分布。建立了海表气泡分布与海表风速间关系,并进行了海表风速反演,反演结果与实测风速基本吻合。


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