本文選題：淺海聲矢量場 + 傳播特性�。� 參考：《哈爾濱工程大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：淺海環(huán)境中,海底地聲參數(shù)對水聲信號的傳輸具有巨大的影響,因而對其獲取方法的研究也一直是水聲工程中的熱點(diǎn)問題。隨著矢量水聽器制作技術(shù)和矢量信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展、完善,對于矢量水聽器的應(yīng)用也已成為水聲領(lǐng)域最重要的研究內(nèi)容之一,但針對淺海聲矢量場各物理量在地聲參數(shù)反演中的應(yīng)用研究則仍較為少見。鑒于此本文以淺海聲矢量場的理論建模與物理特性研究為核心,探討了矢量場中各物理量在傳播中的能量衰減規(guī)律、空間分布特性及相應(yīng)的物理機(jī)理,研究中還開展了大量的實(shí)驗(yàn)測量工作,為理論建模和物理規(guī)律分析提供了有力的支持。本文主要研究工作如下:首先,在理論建模時從波動方程出發(fā),分別利用簡正波方法(Normal Mode Method)和快速場方法(Fast Field Method)對具有彈性海底的淺海Pekeris波導(dǎo)進(jìn)行了矢量場建模。在簡正波方法建模中主要對比了兩類基于復(fù)相位函數(shù)(Complex Phase Function,CPF)的本征值求解方法——路徑追蹤法和復(fù)有效深度法,計(jì)算結(jié)果證明復(fù)有效深度法具有更高的計(jì)算效率和計(jì)算精度,更適于工程應(yīng)用;在對快速場方法的研究中,利用其易于求解的特點(diǎn),依據(jù)各層波導(dǎo)中的勢函數(shù)與邊界條件建立方程組,實(shí)現(xiàn)了對具有聲速剖面、多層彈性海底的淺海聲矢量場的建模。其次,在對矢量場中各物理量的研究中,除對聲矢量場中的常規(guī)物理量——聲壓場p與振速場v進(jìn)行討論外,結(jié)合公式推導(dǎo)與數(shù)值算例著重對二者聯(lián)合處理得到的三類物理量:復(fù)聲強(qiáng)I、同點(diǎn)互相關(guān)函數(shù)ρ和波阻抗Z的傳播規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與討論。由于波阻抗Z抵消了傳播中聲源級與波陣面擴(kuò)展的影響,更有利于在整段傳播距離上對其傳播特性進(jìn)行利用,其垂直分量Zz由于垂直振速vz的作用也更能體現(xiàn)海底聲學(xué)特性。鑒于此本文將多頻點(diǎn)垂直波阻抗Zz(fi)作為反演模型并進(jìn)行深入研究,理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果證明,在液態(tài)沉積層和半無限彈性海底中各類聲學(xué)參數(shù)變化時,Zz(fi)相比矢量場中其他物理量均具有更高的敏感度和更好的分辨力,更適合被應(yīng)用于地聲參數(shù)的反演研究中。再次,利用簡正波理論對聲矢量場中各物理在頻率-距離域上的分布特性進(jìn)行了研究。理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果均表明,無論是聲強(qiáng)I、振速自譜|v|2,還是本文研究的波阻抗Z和同點(diǎn)互相關(guān)函數(shù)ρ均會在頻率-距離域上形成穩(wěn)定的、可用波導(dǎo)不變量β表征的干涉結(jié)構(gòu),但由于受到非干涉項(xiàng)的影響其干涉結(jié)構(gòu)均會受到一定抑制。從復(fù)聲強(qiáng)I的定義式中可以看到,垂直復(fù)聲強(qiáng)的實(shí)部Re(Iz)與水平復(fù)聲強(qiáng)的虛部Im(Ir)中均只包含有干涉項(xiàng),二者在頻率-距離域上形成的干涉結(jié)構(gòu)將更清晰和易于提取。從仿真結(jié)果來看,頻率-距離域上的Re(Iz)和Im(Ir)雖然在分布上一定程度的差別,但均能用波導(dǎo)不變量β來表征,本文利用海試數(shù)據(jù)結(jié)合基于圖像Hessian矩陣的多尺度線性濾波器,對這一結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。最后,利用水池縮比實(shí)驗(yàn)和海上聲矢量場測量實(shí)驗(yàn)對上述研究結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。在水池實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)簡正波理論驗(yàn)證了縮比聲傳播實(shí)驗(yàn)的可行性,并成功進(jìn)行了模擬具有彈性海底海洋環(huán)境下的聲傳播測量實(shí)驗(yàn),對本文中的聲場建模結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證;鑒于縮比實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)可等效為一水平陣測量結(jié)果,提出了基于F-K變換的流體層頻散曲線提取方法,獲得了更多的高階簡正波頻散特性。海試中,利用艦船輻射噪聲作為寬帶聲源進(jìn)行了聲矢量場測量實(shí)驗(yàn),從測量數(shù)據(jù)中提取多個頻點(diǎn)下的垂直波阻抗Zz(fi)進(jìn)行地聲參數(shù)反演,并利用實(shí)測干涉結(jié)構(gòu)對反演結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果令人滿意。除上述工作外,本文還針對大尺寸彈性材料中縱、橫波聲速的同時測量問題,基于分層介質(zhì)中的Snell定律,并結(jié)合傳統(tǒng)穿透測量法,利用消聲水池環(huán)境設(shè)計(jì)了一種新的彈性材料中聲速的測量方法。為彈性介質(zhì)中聲速的測量研究提供了一種新思路。
[Abstract]:In the light sea environment , the underwater acoustic parameters have great influence on the transmission of underwater acoustic signals , and the research on the acquisition methods has been a hot problem in underwater acoustic engineering . In this paper , we have verified the results of acoustic vector field measurement based on image Hessian matrix .
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TB56

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本文編號：1960784