表面波导低频声泄漏现象机理分析及定量研究

Low frequency ocean acoustic research in deep ocean is becoming a hot field. An ocean acoustic technology based on the property of the sound propagation is the key for the breakthrough of the target detection range of the sonar.The low-frequency sound leakage of the surface duct is a special phenomenon in the deep ocean environment when the surface duct exists. A part of energy during the propagtion can penetrate into the shadow zone of the deep ocean and thus the target in the shadow zone can be detected. It is a very pormising method for increasing the target detection range..This research focuses on the low-frequency sound leakage of the surface duct and will use the sound propagation models, simulations and experimental data to ensure the finish of the following points. Frist, this research will be devoted to the mechanism analysis and physical model of this phenomenon. Second, the expressions for computing the transmission loss of the phenomenon will be presented. Third, the time-spatio variablity of the phenomenon due to the water fluctution, e.g. surface wave, front, internal wave, etc., will be analyzed. The results of this research will promote the development of the field on the low-frequency sound in the surface duct and provide a new method for target detection in deep ocean, which is a basis for improving the sonar performance.

随着声纳在深海探测距离需求的增加，深海低频声学逐渐成为现代水声学的研究热点。其中，基于水声传播特性的新型水声技术则是实现装备探测能力突破的关键。低频表面波导声泄漏现象是低频信号在深海存在表面波导时一种特有的传播特性，一定条件下有较强的能量可传播至深海“声影区”，从而实现“声影区”内的水下目标检测，具有重要意义。. 本项目针对表面波导低频声泄漏现象，综合运用声场建模、仿真、实验数据分析的手段，研究波导泄漏的形成机理和物理模型，同时定量刻画波导泄漏能量随表面波导厚度、声频率等参数的变化，并阐明如锋面、内波和海面波浪等海洋起伏环境对波导泄漏的影响，研究成果将丰富表面波导低频声波方面的基础研究，同时提供一种深海声影区目标探测原理，为声纳装备性能的提升奠定基础。

基于水声传播特性的新型水声技术是实现声呐探测能力突破的关键。低频表面波导声泄漏现象是低频信号在深海存在表面波导时一种特有的传播特性，一定条件下有较强的能量可传播至深海“声影区”，从而实现“声影区”内的水下目标检测，具有重要意义。本项目开展了扎实的理论研究，主要成果有：.1）完成了表面波导泄漏现象的仿真和物理建模：首先利用仿真和实验数据分析了表面波导声泄漏现象的物理特性，发现了主导频率与模态截止频率的对应关系，分析了表面波导泄漏和海底弹射的能量强弱关系，基于实验数据进一步分析了表面波导声泄漏信号的传播损失，并完成了脉冲信号传播的简正波模型仿真分析；然后，研究了泄漏现象的物理模型，在无限半空间和声速剖面为双线性近似分段曲线条件下，建立了泄漏声场的简正波模型，求得了其解析解，发现了在频率较低时，表面波导的泄漏能量衰减主要由表面波导的低阶模态特征值的虚部决定这一重要物理规律。.2）仿真结合实验数据获得了波导泄漏能量的定量计算公式：首先基于Hankel函数的远场近似公式和模态函数得到了泄漏信号传播损失的简正波表示方法，然后利用特征值的分布特征给出了传播损失半经验公式；另一方面，由于远距离处的低频泄漏声场主导模态数量少，增加任一模态，等效于在某段距离以内增加了一个震荡的能量项，而不影响这段距离内的平均能量，因此，在计算传播损失时可以将这个模态的能量进行非相干叠加而不影响总体的能量变化趋势，由此，得到在自然深度坐标和距离坐标下，泄漏声场的非相干传播损失计算公式。.3）研究了海洋起伏环境对波导泄漏现象的影响：首先基于SODA海洋数据集和Argo实测声速剖面了，研究了我国周边深海海域的声速剖面特性，得出了表面波导厚度的分布规律；然后基于抛物方程模型仿真了不同中尺度海洋动力学过程条件下的泄漏声场分布，发现海洋起伏环境对波导泄漏的能量具有显著影响。