声简正波耦合暨R-ω平面干涉条纹机理研究

摘要

海洋环境复杂多变，利用声场的变化来反演海洋环境的信息是海洋声学的一大课题。而根据环境的变化来研究声传播的规律，为反演海洋环境提供有价值的结论是前提条件。 本文首先研究了水体不均匀时的声简正波耦合机理，然后对声场强度的R-ω平面的干涉条纹机理进行了初步分析。 海洋内部存在水体不均匀时，声场的变化可以通过简正波的耦合表现出来。简正波耦合模式有双向全耦合模式、单向耦合模式、绝热近似模式。本文根据Evans解决简正波耦合模式的思路，采用微扰理论方法，结合相移的变化，推导出一种表现水体不均匀情况下的总耦合散射微扰积分表达式。这个表达式是反映简正波耦合的解析表达式，清楚的表明了水体的不均匀变化，尤其是不均匀水体对声速剖面的扰动，进而对声传播的影响。采用这种积分形式并结合相应的物理解释，可以更为直观的刻画简正波耦合的物理图像。 声场强度的R-ω平面经常会出现干涉条纹结构。对于与距离无关的海洋波导，采用波导不变量法，即用干涉图中的频率、距离和干涉条纹的斜率定义的一个标量参数β，可以分析给定环境下的R-ω平面干涉条纹机理。本文应用水平波数的微扰公式，在绝热近似下，推导了一种海洋声道水平缓变下的波导不变量近似表达式。该表达式可用于水平缓变海洋波导R-ω平面干涉条纹分析。 R-ω平面中还存在细节的干涉结构，本文根据简正波干涉项逐次叠加的方法，结合相位和形成干涉项的两号简正波之间的水平相干距离随频率的变化，物理解释了R-ω平面中细节干涉结构的形成机理。详细分析了干涉条纹的“分叉”、分裂以及固定距离与频率的取值范围情况下，平面增加新的干涉线段的原因；分析了在固定距离范围时，出现了“孤立的干涉亮线”的物理机理；分析了频率范围包含简正波截止频率时R-ω平面的干涉图案的变化。 本论文研究在一定意义上，将有益于深入理解海洋声简正波耦合机理和R-ω平面干涉条纹形成机理。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2声场计算方法

1.2.1射线追踪法

1.2.2简正波法

1.2.3抛物方程法

1.3环境与距离有关的简正波

1.4 R-ω干涉条纹研究背景

1.5研究的目的及意义

1.6论文内容及结构安排

第二章简正波理论

2.1引言

2.2简正波方法

2.2.1数学推导

2.2.2简正波模式

2.2.3频散效应

2.3数值方法

2.3.1环境与距离无关

2.3.2环境与距离有关

2.4本章小结

第三章简正波耦合

3.1引言

3.2理论公式推导

3.3简正波耦合机理“图解”

3.4本章小结

第四章波导不变量

4.1引言

4.2波导不变量理论介绍

4.3水平缓变的波导不变量

4.3.1理论推导

4.3.2数值模拟

4.4本章小结

第五章R-ω平面干涉“纹理”特征及机理

5.1高频段R-ω平面

5.1.1前两号简正波干涉项

5.1.2前三号简正波干涉项

5.1.3前九号简正波干涉项

5.2截止频率处的R-ω平面

5.2.1第三、四号简正波

5.2.2多号简正波

5.2.3结果分析

5.3本章结论

第六章总结与展望

6.1论文总结

6.2工作展望

附录1 海洋内部不均匀结构及其对声场传播规律的影响

附录2 水平波数的近似表达式

参考文献

论文发表

谢辞