基于简正波理论的声场计算应用研究

论文摘要

海洋声场兼具声压场和振速场,前者是标量场,后者是矢量场,兼有强度和相位信息。伴随矢量水听器工艺及相关信号处理技术的发展,振速矢量场展示出越来越多相比于声压场的优点,其数值计算方面需要进行更深入的研究,本文正是做这方面的工作。本文从声场计算角度出发,对于简正波模型,研究使用有限差分求解特征值和特征向量、并进一步计算声压的方法。根据尤拉方程,对声压场进行空间数值微分,计算出振速各分量,即求得振速矢量场。从而完成声压场和振速矢量场建模的理论准备。声压和振速的传播损失可用于分析声场传播特性,而振速的相位特性是矢量场研究和应用的重点。本文完成了实现上述声场计算功能的程序,并在MATLAB平台上,开发出一款基于这些程序的GUI声场计算软件,便于使用。文中应用该软件对理想条件下介质中声场进行仿真,得到了体现简正波传播规律的结果。考虑声源频率对声场的影响,分析讨论了声场中各参量的谱特性。对以声源为圆心、水平呈圆周分布的位置点的矢量场进行仿真,计算了相位跳变和通过特性,与理论和实验结果符合良好。由于复杂海洋环境条件更有实际意义,分别计算了考虑海面粗糙、典型声速剖面、分层介质和衰减等影响因素时的声场,通过与理想条件下单层介质情形的比较,分析得出各因素对海洋声场特性的影响。最后,计算综合考虑所有影响因素时的声场,与经典简正波声场计算软件的结果进行比较,验证了程序的正确性和可用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 立题意义
• 1.2 典型的声场计算方法
• 1.2.1 波动方程
• 1.2.2 典型计算方法介绍
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文主要内容
• 第2章 简正波声场及数值计算方法
• 2.1 声场数学推导
• 2.1.1 声压场
• 2.1.2 质点振速场
• 2.2 参量计算
• 2.2.1 传播损失
• 2.2.2 相位特性
• 2.3 声场数值计算
• 2.3.1 有限差分声场计算
• 2.3.2 界面处理
• 2.3.3 简正波归一化
• 2.3.4 矢量声场数值计算
• 2.3.5 损耗扰动计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 声场计算软件开发
• 3.1 国外相关软件介绍
• 3.2 软件设计
• 3.2.1 软件功能
• 3.2.2 开发环境
• 3.2.3 总体结构
• 3.3 界面显示及模块功能
• 3.3.1 主界面
• 3.3.2 海洋环境参数设置
• 3.3.3 声源及接收参数设置
• 3.3.4 声场参量计算选择
• 3.3.5 图形绘制选择
• 3.4 本章小结
• 第4章 分层海洋介质中的声场计算
• 4.1 理想条件下单层介质中的声场
• 4.1.1 水平方向传播特性
• 4.1.2 深度方向的分布特性
• 4.1.3 声场参量谱特性
• 4.1.4 通过特性及相位跳变
• 4.2 分层介质海洋声场的影响因素
• 4.2.1 典型声速剖面
• 4.2.2 粗糙边界
• 4.2.3 沉积层吸收
• 4.3 多层复杂介质的声场
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢