聲速剖面對淺海波導(dǎo)頻散特性的影響研究.docx

1、聲學(xué)技術(shù)TechnicalAcoustics聲速剖面對淺海波導(dǎo)頻散特性的影響研究祝捍皓I張海剛匕劉偉楊磊3(1.哈爾誼工程大學(xué)水聲工程學(xué)院.哈爾濱150001,2.哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)凝室.哈爾波，150001：3.海軍705F.湛江.524600)ResearchontheinfluenceofsoundspeedprofiletothedispersioninshallowwaterwaveguideZHUHan-hao1,ZHANGHai-gang",LIUWei1,YANGLei3<1-CollegeofUnderwaterAcousticEngineering

2、,HarbinEngineeringUntversfty,Harbin,150001,China;2.ScienceandTechnologyonUnderwaterAcousticsLaboratory,HarbinEngineeringUnherstty,Harbin,150001,Chma;3.Navy705Factory.Zhanjiang,524600.China)聲源深度乙'海水深度W=IO()m密度pj=l.5g/cm'圖2相速度與頻率關(guān)系Fig.2RelationshipbetweenthephasespeedsandFrequency0引言對波導(dǎo)中頻散特性的研

3、究直是水聲物理領(lǐng)域的焦點(diǎn)之一本文重點(diǎn)研究具有彈性海底的Pekeris波導(dǎo)環(huán)境卜，流體層中聲速剖面(Soiuidspeedprofile.SSP)對波導(dǎo)頻散特性的影響。1理論研究本文主要針對具有半無限彈性海底卜的Pekeris模型進(jìn)行研究。在柱坐標(biāo)系R考慮二維(尸,z)卜的點(diǎn)源激發(fā)聲場，聲場模型如圖1所示。密度/>i=!.0g/cm3I聲速Ci=l500nVs壓縮波聲速c=3800m/s財(cái)切波由速t-y=l800m/s圖I只有彈性海底的Pekens海洋環(huán)境模型Fig.lAPekenswaveguidewithelasticbottom流體層、彈性海底中變量分別用勢函數(shù)A、虬和訴表示。在諧和

4、單頻點(diǎn)聲源作用R由各勢函數(shù)所必須滿足的波動方程、點(diǎn)源條件及分界面上的邊界條件，可得圖1所示波導(dǎo)環(huán)境中頻散方程形式：£()=cosibfi2KsinPXH(1)公式(1)中各項(xiàng)參數(shù)詳解見參考文獻(xiàn)1。當(dāng)考慮求根區(qū)間zmin(ci.4,或時(shí)，中頻散方程為實(shí)數(shù)方程，有且僅有-個(gè)實(shí)根3,即為Scholte波波速或第0階簡正波；當(dāng)c任(ci，Q,cp)時(shí)，頻散方程為超越方程，在求根區(qū)間內(nèi)存在多個(gè)數(shù)值解&，對應(yīng)流體層中(=1.2,5)階簡正波。無論c以或是4,其值均與聲源頻率了有關(guān),即具有頻散特性。2仿真研究在上述理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真結(jié)果對波導(dǎo)中各階簡正波頻散特性進(jìn)行進(jìn)一步研究。仿真

5、條件圖1中所示。圖2首先給出門劄1仿真條件卜波導(dǎo)中第0.2階簡正波頻散曲線。從仿真結(jié)果來看：該波導(dǎo)環(huán)境卜Scholte波在聲源頻率很低時(shí)依然存在，兒乎不存在截止頻率；而隨著簡正波階數(shù)的增大，各階簡正波的截止頻率也逐漸提高。水中聲速分布A負(fù)梯度分布均勻分布正梯度分布海面聲速m/s海底聲速nVs1550.01450.015000150001450.01550.0水中聲速分布B員梯度分布均勻分布正梯度分布海面聲速m/s海底聲速m/s1550.0150001500.01500.01450.01500.0«1.聲速剖面分布Table.1ThesimulationconditionofSSP_.

6、s委整Scholten,第0階簡正波負(fù)悌度分布均勻分布正梯度分布水中聲速分布C負(fù)梯度分布均勻分布正梯度分布海面聲速m/s1500.01500.01500.0海底聲速ns1450.01500.015500圖3混1A條件下相速度與頻率關(guān)系Fig.3RelationshipbetweenthephasespeedsandFrequencymsimulationenvironmentofTable!AFig.4RelationshipbetweenthephasespeedsandFrequencymsimulationenvironmentofTableIB1UM)I1111,05010015020

7、0碩率任圖5表1C條件卜.相速度與頗率關(guān)系Fig.5RelationshipbetweenthephasespeedsandFrequencyinsimulationenvironmentofTable1C為分析流體層中聲速分布對各階簡正波的影響.以卜仿真中保持海底參數(shù)不變，水中聲速剖面Q分別取表1中各組參數(shù)(考慮聲速線性變化)。在表1各組聲速剖面影響卜波導(dǎo)中前3階簡正波頻散曲線分別如圖3至圖5所示。3結(jié)論本文重點(diǎn)研究了流體層中聲速剖面對波導(dǎo)中頻散曲線的影響，從圖2至圖5的仿真條件對比來看,可得以卜結(jié)論：(1)波導(dǎo)中各階簡正波相速度無一例外隨著聲源頻率的升高而降低，分界面上第0階簡正波Scholte波存在相速度上限niin(cz,Cp)，流體層中各階簡正波相速度則存在下限(2>Scholte波在聲源頻率很低時(shí)依然存在，兒乎不存在截止頻率：而隨著簡正波階數(shù)的增大，各階簡正波的截止頻率也逐漸提高:(3) 海底Scholte波聲速在低頻段受聲速分布的影響不大，海底Scholte聲速受海底