水下低频振荡涡流场声散射调制机理与特性研究
改进的被动时间反转阵处理水下通信
文章编号：１０ —６ ０２ １） ３０ ４ －５ ０ ０３３ （００一 —２ ８０ ０
ＤＯ 编 码 ： １．９ ９ ．ｓ ｌ０—６ ０ ０００ ．０ Ｉ ０ ６ ￣ｉ ｎ ０ ０３ ３ ． １．３ ２ ３ ｓ ２ ０
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水声场波动方程与定解条件研究
2018年第4期信息通信2018(总第184 期）INFORMATION & COMMUNICATIONS (Sum. N o 184)水声场波动方程与定解条件研究万骏(三峡大学，湖北宜昌443003)摘要:波动方程是由麦克斯韦方程组导出的、描述电磁场波动特征的一组微分方程，是一种重要的偏微分方程，主要描述 自然界中的各种的波动现象，包括横波和纵波，例如声波、光波和水波。
波动方程抽象自声学，电磁学，和流体力学等领 域。
论文将从声传播理论出发来了解波动方程在水声场中的应用，并研究其定解条件。
关键词:水声场；波动方程;定解条件中图分类号:〇241.8 文献标识码:A文章编号=1673-1131(2018)04-0057-02水声学是指研究水下声波的产生、辐射、传播、接收和量 度，并用以解决与水下目标探测及信息传输有关的各种问题 的一门声学分支学科。
在海水中声波的衰减远比电磁波微小，故声波是海水中探测目标和传递信息的有效工具，因而水声 学的发展对提高现代海军的反潜作战能力起着重要作用。
同时水声学在民用如导航、海底地质考察和石油勘探、渔业方面 均有广泛应用。
而本文主要研究的是水声波动方程与定解条 件研究，对波动理论、波动方程、波动声学以及射线声学等知事实上,当介质本身有流动时，中含有介质流动速度的影 响，相关理论可参阅朗道著《连续介质力学》。
考虑到假设介 质是静止的,（1)式和(2)式中没有考虑介质流动速度的影响。
在理想流体介质声传播过程中，还没有来得及进行热交 换，声波传播(介质的压缩和膨胀)的力学过程已经完成，这一 过程近似为绝热过程，即无热传导。
绝热过程中，P为压强，P 为密度，下标S表示绝热过程。
本节后面讨论波动方程的解 时，可知c为声波在介质中的传播速度。
识进行论述，并分析具体的定解条件。
1水声场波动方程介绍1.1波动理论波动理论是研究声信号的振幅和相位在声场中的变化, 它适用低频，数学上复杂、物理意义不直观的声场分析方法。
浅海环境参数失配对匹配场处理的影响分析
射、 折射等引起的相干特性 ， 且融合了包括信号和噪声在内
的全部海洋 声学 特性 到阵处理中 ， 因此 当建立 的信 道模 型足
够逼近真实海洋环境模型时， 匹配场定位可以比平面波波束
形成定位方法对更远的目 标实现定位 ， 能够更好地估计声源
验约束条 件 ， 任一协方差矩阵 的 自由度往往 会超过 可利用 的
ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｓ ｒ ｍｉ ｓ ｍａ ｔ ｃ ｈ
方法过 于依赖 信 道模 型 ， 当信道 模 型与 真实 环境 出 现偏 差
ｌ 引言
在浅海环境下 ， 由于海 面海 底 的声 波反 射 、 折射 以及多 途效应 的影 响 ， 平面波波束形成等传统 的定位算法 很难准确
定 位水 下 目标 ， 而 匹配 场 被动 定位 很好 地 利用 了声 波 的反
场与 贝场完 全匹配时模糊度 图的峰值为 １ 。
改善浅海环境 中匹配场处理 的稳 健性 奠定基础。
４ 环 境参 数失 配 的仿真
４ ． １ 失 配 影 响 分 析
２ 简 正波模 型
简正 波模 型采用 简正 波模 式表 示 Ｈ ｅ ｌ ｍｈ ｏ ｈ ｚ 方 程 的解 。
为了分析不同环境参数失配对匹 配场处理 的影响 ， 把浅 海环境 简化为 Ｐ ｅ ｋ ｅ ｉ ｆ ｓ 波 导模 型 ， 假设 浅海 环境 为液 态海 底
１
一
赤
‘ Ｍ ｓ ｉ ｎ ｃ ｓ ｉ ｎ ｃ 芫
（ ５ ）
其 中 为第 ｍ阶简正波的垂直波数 ， 为第 ｍ 阶简 正波 的
水平 波数 ：
…
ｏ （ ｒ 詈 ） ＋ ｐ ㈤ 告 （ 茄 ） ＋ 新
２ ８ （ ｒ ） ８ （ ｚ — ）
南海深海典型海深环境下声场分析
式中，c 为声速，f为温度，s 为盐度，A 为深度。 数 据 选 取 2003~2007年 1 月 份 （冬 季 ）的历史
数据平均值，三个位置处的声速剖面（Sound Speed Profile，SSP)如图2〜4所示，分 别 代 表 了 约 1500 m 、 2500 m 和 4500 m 的典型海深情况。从声速剖面看， 三处声速剖面结构较为相似，主 要 包括以下几点：
Y
CQp/Y/运
7O 8o
荦
把
9o
S0
30 60 90 120 150 180
扑 离 /k m
( a ) 位置①
昨 與 /k m
( b ) 声源 300 m 图 7 传 播 损 失 二 维 图 （位 置 ③ ）
对 比 图 7 (a) 和 图 6 (a ) 可以发现，位置③处 己经初具会聚区现象，海表面附近会聚信号区宽度 较大，可利用性提高；对 比 图 7 (b ) 和 图 6 (b ) 可以发现，位 置 ③ 处 300 m 深声源信号可形成较完 整的会聚区，从而其声影区结构也较为明显。
4 总结
围越小。 (4) 海 深 2500 m 情况下，近场探测范围较小，
第 一 会 聚 区 （声线反转与海底反射同时存在）可探 测范围很大，可 达 20 k m 以上；
( 5 ) 海 深 4000 m 以上时，近场探测范围较小， 第 一 会 聚 区 探 测 范 围 也 不 大 ，对装备探测深度提出 了较高的要求。
图 4 位 置 ③ 的 SSP
2 声场分析
利用声场射线模型，对三处典型海深环境进行声传 播分析，并总结其声场特征规律。仿真频率取1000 H z 。 2. 1 海 深 1500 m
针 对 深 海 水 下 目 标 ，其 工 作 深 度 通 常 较 大 ，本 文 以 100 m 、300 m 作为典型目标深度进行分析， 分别仿真不同深度下的传播损失结构，如 图 5 所示， S S P 见 图 2 。从仿真结果看，在位置①，当声源较 浅 时 （S l O O m 的情况），表面声道作用明显，声信 号 除 了 与 海 底 海 面 反 射 外 ，存 在 一 部 分 沿 表 面 声 道 传 播 的 声 能 量 。仿 真 结 果 表 明 ，表面声道 的 传播距 离较远，若 以 80 d B 的传播损失为参考，表面声道 传 播 距 离 可 达 20 k m 以上。深海表面声道传播可用 30
基于抗干扰的水下声信号处理技术研究
基于抗干扰的水下声信号处理技术研究一、前言随着人类对海洋资源的开发和利用不断增加，水下声信号处理技术的重要性日益凸显。
在海洋勘探、水下防卫、水下测量等领域中，水下声信号是获取和传递信息的重要手段。
但由于水下环境的复杂性和多变性，水下声信号会受到各种干扰，降低信号质量和可靠性。
因此，基于抗干扰的水下声信号处理技术成为了当前研究的热点和难点。
二、水下环境特点和干扰类型在水下环境中，声波遇到了许多的障碍和扭曲，这些障碍包括水温梯度、海水流动、海底地形等。
因此，水下声信号普遍受到多径效应、散射、衰减等干扰，这些干扰类型往往是瞬态和时间变化的，需要特殊的算法和技术进行处理和调整。
针对水下环境特点和干扰类型，已经研究出了多种水下声信号处理算法，其中基于抗干扰的方法是当前研究的一个重要方向。
三、基于抗干扰的水下声信号处理技术1. 自适应滤波算法自适应滤波算法是一种基于最小均方差（LMS）准则的算法，其通过动态调整滤波器系数，使得输出的信号与期望信号如实接近，从而实现抗干扰的目的。
2. 小波变换小波变换是一种时频分析方法，其能够在时域和频域上对信号进行处理和分析，提取信号的局部特征。
小波变换能够有效地抑制和排除高频噪声和低频漂移等干扰，对信号的局部细节进行分析和提取，是水下声信号处理的重要方法之一。
3. 谱减法谱减法是一种减噪方法，其通过对信号的频谱进行分析，将干扰频率对应的分量减去，实现信号抗干扰目的。
谱减法能够在保持原信号主要内容的情况下实现抗干扰，是一种常用的水下声信号处理方法。
4. 神经网络神经网络是一种类似于人脑神经元的计算模型，其能够通过学习和训练来实现对水下声信号的识别、分类和处理。
神经网络的优点是能够自适应地调整模型参数，实现对不同类型干扰的抗性，是一种高效的水下声信号处理方法。
四、未来发展方向目前，基于抗干扰的水下声信号处理技术已经取得了重要进展。
尤其是在多传感器数据融合、深度学习技术等方面，水下声信号处理技术正实现着不断地创新和突破。
海底混响的空时模型及仿真
散射源可 以分为海底混响 、 面混 响及体积混 响。散射体存 海
１ 引 言 混响仿真是声纳仿真技术 中的一个重要研究 领域” ， 水
声设备在研制过程 中 由于受 到各方 面制 约而不 可能 中的流砂 粒子 、 海洋生物 ， 海 洋本身 的不均匀性 、 的鱼群等 ， 大 它们 引起 的混 响称 为体积 混响 。海面 的不平整性 和波 浪形成 的气 泡层对声 波 的散射 所形成 的混响称为海面混响 ， 海底及其 附近的散射体 形成 的 混响称为海底混响 ， 两种统称 为界 面混 响 Ｊ 后 。 海洋混响 的仿真方法较多 ， 从仿 真精 度上主要分 为简要 仿真和精细仿真 。其 中混 响简要 仿真 只描述混 响衰减 规律
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ： ｓｍｕ ａｉ ｎ ｍｏ ｅ ｆｓ ａ ｌｏ ｖ ｒ ｅ ａｉｎ Ｗ ｔ ｄｅ ｎ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ Ａ ｉ ｌ ｔ ｄ ｌｏ ｅ ｆ ｒ ｅ ｅ ｂ ｒ ｔ ａ ｓｕ ｉｄ ｉ ｓ ａ ｅ ．Ｗ ｈ ｎ ｓ ｎ ｒｗ ｒ ｓｉ ｎ ｅ ｗ － ｏ ｏ ｒ ｏ ｓ ｈ ｅ ｏ ａ ｏ ｋ ｎ ｕ ｄ ｒ ａ ｔｒｔ ｒｅ ｅ ｅ ｔ ｎ，ｃ ｍｍｕ ｉａ ｉｎ ａ ｄ ｎ ｖｇ ｔ ｎ ｉ ｅ ｆ ｏ ｆｓ ａｌｗ ｅ ，ｓ ａ ｏ ｒｒ ｖ ｒ ｅ ａｉｎ ａｅ ｏ ｅ ｏ ｅ ｅ ａ ｇ ｔｄ ｔｃｉ ｏ ｏ ｎ ｃ ｔ ｎ ａ ｉ ａｉ ｎ ｓ ａ ｏ ｒｏ ｈ ｌ ｏ ｏ ｌ ｏ ｓ ａ ｅ ｆ ｏ ｅ ｅ ｂ ｒ ｔ ｒ ｎ ｆｔ ｌ ｏ ｈ
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水动力学理论进展汇总
线性激励下的波频运动响应
运动响应的数值求解办法
其实，试图直接求解Laplace方程的边值问题以获得速度势是非常困难的。为 此人们根据势流场具有解析性的基本特征，认为浮体处于势流场相当于给原 本解析的域内添加了局部的诸如“源”、“汇”、“偶极”等奇点，这样的 奇点对流场具有贡献。于是提出了以分布源和分布偶极为基础的所谓分布奇 点法来求解流场，Hess-Smith方法是求解水动力学问题的一种最为常用的数 值方法。 1.划分湿表面网格。
水动力学理论进展
主要内容
理论背景 线性激励下的波频运动响应
二阶非线性问题
小尺度构件的粘性问题
浮式结构物运动分类
波频摇荡：源自有义波能谱频范围内的线性激励。 刚体平台摇荡运动： 纵荡（surge）、横荡(sway)、垂荡(heave)； 横摇(roll)、纵摇(pitch)、首摇(yaw)。 高频振荡：源自波浪的非线性效应和随机风浪的高频谐波。 高频运动基于平台的垂荡、纵摇和横荡的谐振，对平台所属的细长结构产生“击 振”和“弹振”，如TLP系泊锚链的振荡周期为2-4s。 低频慢漂：源自波浪的非线性效应与随机风浪的低频谐波及风。 低频慢漂基于平台的纵荡、横荡和首摇的谐摇，产生慢漂和平均运动。如一般的
线性激励下的波频运动响应
对于不规则波浪， 将其分解为一系列 不同波浪频率和浪 向下单位波高的规 则波。 分别用MCK方程计 算作用在浮体上的 波浪力，浮体的稳 态运动的RAO，附 加质量和阻尼。 浮体的总体响应为 一系列规则波引起 响应的线性叠加
线性激励下的波频运动响应
频域分析到时域分析
MCK方程仅能描述浮体对某一频率的规则波的运动响应，它的 解实际上是固定频率下代数方程组的解。因此，通常把以上算法 称为频率计算或频域法。将不同规则波下的频率运动分别计算叠 加，通过傅里叶变换可将频域结果变为不规则波下的时域结果。
声波涡流法采油技术的研究与试验分析
利用 超声 波 、 波 、 声 低频 脉冲 波 、 、 等方法 提 电 磁
高原 油采 收率 具有 许 多 突 出 的优 点 ． 然 这 类 技 木 虽 的研 究起 步较 晚 ， 其发 展却 十分 迅速 ， 但 日益受 到 了
抽油 泵及 整 个 油 管 、 管 的 产 液 中 ， 以使 垢 层 破 套 可 裂、 滑脱 ； 原 油质 点 从 吸 附状 态 变 为 游离 状 态 ； 使 使 油 、 的渗 流 速度 和渗 流量提 高 ， 水 同时在 声波 的作用 下， 含油层 的毛细管 由刚性渗 流场 变为 弹性渗 流场 ，
通 过试 验 可观察 不 同蜡 质 的反应 ． （ ） 虑 开井 时 间 以及 地 质 、 理 状 况 对 试 验 ４考 地
一 ５ 一 １
混 作用 并能 减少 管壁 边 界 层 的摩 擦 阻 力 ， 防止 晶核 着 床发 育 ， 涡流产 生 的 剧 烈 掺 混作 用 还 可 以使 产 液 中的液 、 、 气 固三相 高 度溶 融并 乳化 ， 而起 到 防蜡 、 从 防垢 、 降黏作 用 ．
装试 验设 备重 复修 井造 成 的成本 和停产 损失 ． （） 求井况及生产资料齐 全， ２要 以便 于试 验 前 后 对 各项数 据 的观 察测 试 、 收集 整理 及对 比分析 ． （ ） 都属 于结 蜡 严重 的井 ， 蜡 质 有 所不 同 ， ３井 但
发展和消失的最经常也是最主要 的因素． 在黏性流 体 中 由于黏性 作用 ， 涡强 的地方 将 向旋 涡 弱 的地 旋
方输 送旋 涡 ， 直至旋 涡 强度相 等为 止 ， 就是旋 涡 的 这
扩散 现象 Ｊ ． 根 据这一 特性 ， 以通 过 一个 涡 流发 生 装 置产 可
传播速度与介质的性质有关． 声波的穿透力很强 ， 方 向性 好 ， 能定 向传播 ， 同时也具 有反 射 、 射 、 折 散射 衰 减及 吸收等 波 的共 性 ， 守波 的定 律 Ｊ 遵 ． 声波采油技术主要是利用声波与物质的相互作
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水下低频振荡涡流场声散射调制机理与特性研究
荆晨轩;时胜国;杨德森;张姜怡;李松
【期刊名称】《物理学报》
【年(卷),期】2023(72)1
【摘要】水下涡流场对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题,在水下目标探测和流场声成像领域具有重要意义.针对水下低频振荡涡流场声散射调制问题建立了理论分析模型与数值计算方法,探究了其声散射调制声场的产生机理与时空频特性.首先,基于运动介质的波动方程,通过引入势函数将波动方程分解为流声耦合项和非耦合项,并对流声耦合项进行频域分析处理,揭示了水下振荡涡流场的声散射调制机理;其次,采用间断伽辽金数值方法对水下低频振荡涡流场中声传播过程进行了数值模拟,分析了低马赫数条件下,不同入射声波频率、涡流场的振荡频率和涡核尺度对涡流场声散射调制声场时空频特性的影响规律,并结合理论分析模型对其特性进行了解释.研究表明:低马赫数下,振荡涡流场对声波的散射可产生包含涡流场振荡频率双边带调制谐波的散射调制声场,且随着入射声波频率、涡核尺度的增大,散射调制声场强度增强,总散射声场空间分布具有对称性和明显主瓣,且主瓣方位角趋近于入射波传播方向;在频率比远大于1条件下,涡流场振荡频率对散射调制声场强度影响较小.
【总页数】15页(P202-216)
【作者】荆晨轩;时胜国;杨德森;张姜怡;李松
【作者单位】哈尔滨工程大学水声工程学院;哈尔滨工程大学;哈尔滨工程大学【正文语种】中文
【中图分类】TN9
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5.水下低频球面声波近场与远场散射特性研究
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