深海会聚区及影区声传播与声场特性研究

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1、学校代码10699分类号TB56密级学号2011100300题目深海会聚区及影区声传播与声场特性研究作者肖鹏学科、专业水声工程指导教师马远良教授申请学位日期2017年3月分类号：TB56学校代码：10699密级：学号：2011100300西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：深海会聚区及影区声传播与声场特性研究作者：肖鹏学科专业：水声工程指导教师：马远良教授2017年3月Title:Studyonacousticcharacteristicsofdeep-waterinconvergencean

2、dshadowzoneByXiaoPengUndertheSupervisionofProfessorMaYuanliangADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofUnderwaterAcousticEngineeringXi’anP.R.ChinaMarch2017摘要摘要在海洋环境中，声波是信息传递的主要方

3、式，研究声波在深海中的传播规律在军事上和民用上都有极为重要的意义。本文结合课题组参与的多次深远海水声调查实验，研究了深海会聚区及声影区传播过程中声场的一阶及二阶特性，并分析了相关物理机理：声场一阶特性是指声传播中的能量特性，即传播损失的变化规律；声场二阶特性指声传播过程中声场的时空相关性质。本文的大部分理论和研究方法得到了计算机仿真和海试数据的验证，具有重要的理论和应用价值。本文的主要研究工作和结论如下：1.对深海典型声传播模式进行了分析,提出了陷获率和临界海底损失的概念，给出了全球会聚区高概率分布图

4、以及海底弹射模式适用海区。为提高声呐系统在深海海域的探测性能，论文对几种重要的深海传播模式进行了分析。首先，基于水文同化数据，给出了会聚区在世界范围内的分布概率图，用以指导声呐系统利用会聚区传播模式进行探测；其次，引入了陷获率的概念，指出了有利于进行海底弹射模式探测的水文条件；再次，分析了几种典型的海底底质类型，提出使用多层等效密度流体模型分析分层海底反射损失的方法，分析了海底过渡层对声传播的影响；最后，定义了临界海底损失的概念，提出当海底反射损失小于临界海底损失时，可以利用海底弹射模式对声影区目标进

5、行探测。2.研究了利用深海影区声传播数据提取海底反射损失的方法，在此基础上研究了利用海底反射损失反演等效海底参数的方法。通过一次深海实验获得的声影区声传播数据，提取获得了南海某海域的海底反射损失。在获得海底反射损失的基础上，研究了利用贝叶斯理论反演海底底质参数的方法。首先将海底建模为沉积层-基底两层流体模型，每层的声速、密度及衰减系数为常数；然后通过贝叶斯理论对包括沉积层厚度在内的7个参数进行反演，获得了等效海底参数。利用该参数进行影区声场预报的结果与实验测量的结果非常吻合，证明了反演方法的有效性与可

6、行性。3.研究了深海线性内波对影区内时间相关半径的影响，得到了中等距离上时间相关半径与频率和距离的关系，提出声影区内的时间相关半径大于会聚区内的时间相关半径。以蒙特卡洛仿真为基础，研究了相关时间长度与频率和距离的依赖关系，研究结果表明在深海几十公里的距离上，相关时间半径与频率的-3/2次幂成正比，但是相关时间长度与距离的关系无法用简单的幂次关系进行描述，距离依赖性变得更加复杂。在仅考虑深海线性内波影响的条件下，声影区内的相关时间半径大于会聚区；相关时间与频率的-3/2次幂成正比；在同一类声线路径上，相

7、关时间半径与距离的-1/2次幂成正比。声I西北工业大学博士学位论文影区内时间相关性较强的特点将有助于在影区内对目标进行探测和定位。4.给出了典型深海条件下低频航船噪声垂直指向性函数的数学表达式，提出了会聚区和声影区的噪声场空间和时间相关性的计算方法。首先应用一种结合声场互易性的深海噪声数值计算方法计算了典型深海条件下低频航船噪声场的垂直指向性。数值计算结果表明，在深海传播条件下，航船噪声的垂直指向性有两个对称的尖峰，在水平方向则存在凹槽，峰值的位置和凹槽的宽度与海深密切相关；然后利用VonMises函

8、数的变换式，给出了典型深海条件下垂直指向性函数的数学表达式，同时利用该表达式得到了该类型噪声场的空间和时间相关性计算方程；最后，结合实际的海洋环境条件，对一次实验的测量结果进行了计算和分析，并利用本文模型对实验测量噪声场的垂直指向性和空间相关性进行建模。通过计算结果与实验测量结果作对比，发现本文所建立的指向性模型能够逼近测量结果，同时理论的空间相关性与实测数据比较吻合，验证了本文模型的正确性和有效性。关键词：深海声传播，海底反射，会聚区，时间相关性，环境