声速剖面对浅海波导频散特性的影响研究.docx

1、声学技术TechnicalAcoustics声速剖面对浅海波导频散特性的影响研究祝捍皓I张海刚匕刘伟杨磊3(1.哈尔谊工程大学水声工程学院.哈尔滨150001,2.哈尔滨工程大学水声技术重点实凝室.哈尔波，150001：3.海军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)声源深度乙'海水深度W=IO()m密度pj=l.5g/cm'图2相速度与频率关系Fig.2RelationshipbetweenthephasespeedsandFrequency0引言对波导中频散特性的研

3、究直是水声物理领域的焦点之一本文重点研究具有弹性海底的Pekeris波导环境卜，流体层中声速剖面(Soiuidspeedprofile.SSP)对波导频散特性的影响。1理论研究本文主要针对具有半无限弹性海底卜的Pekeris模型进行研究。在柱坐标系R考虑二维(尸,z)卜的点源激发声场，声场模型如图1所示。密度/>i=!.0g/cm3I声速Ci=l500nVs压缩波声速c=3800m/s财切波由速t-y=l800m/s图I只有弹性海底的Pekens海洋环境模型Fig.lAPekenswaveguidewithelasticbottom流体层、弹性海底中变量分别用势函数A、虬和诉表示。在谐和

4、单频点声源作用R由各势函数所必须满足的波动方程、点源条件及分界面上的边界条件，可得图1所示波导环境中频散方程形式：£()=cosibfi2KsinPXH(1)公式(1)中各项参数详解见参考文献1。当考虑求根区间zmin(ci.4,或时，中频散方程为实数方程，有且仅有-个实根3,即为Scholte波波速或第0阶简正波；当c任(ci，Q,cp)时，频散方程为超越方程，在求根区间内存在多个数值解&，对应流体层中(=1.2,5)阶简正波。无论c以或是4,其值均与声源频率了有关,即具有频散特性。2仿真研究在上述理论研究的基础上，结合仿真结果对波导中各阶简正波频散特性进行进一步研究。仿真

5、条件图1中所示。图2首先给出门劄1仿真条件卜波导中第0.2阶简正波频散曲线。从仿真结果来看：该波导环境卜Scholte波在声源频率很低时依然存在，儿乎不存在截止频率；而随着简正波阶数的增大，各阶简正波的截止频率也逐渐提高。水中声速分布A负梯度分布均匀分布正梯度分布海面声速m/s海底声速nVs1550.01450.015000150001450.01550.0水中声速分布B员梯度分布均匀分布正梯度分布海面声速m/s海底声速m/s1550.0150001500.01500.01450.01500.0«1.声速剖面分布Table.1ThesimulationconditionofSSP_.

6、s委整Scholten,第0阶简正波负悌度分布均匀分布正梯度分布水中声速分布C负梯度分布均匀分布正梯度分布海面声速m/s1500.01500.01500.0海底声速ns1450.01500.015500图3混1A条件下相速度与频率关系Fig.3RelationshipbetweenthephasespeedsandFrequencymsimulationenvironmentofTable!AFig.4RelationshipbetweenthephasespeedsandFrequencymsimulationenvironmentofTableIB1UM)I1111,05010015020

7、0硕率任图5表1C条件卜.相速度与颇率关系Fig.5RelationshipbetweenthephasespeedsandFrequencyinsimulationenvironmentofTable1C为分析流体层中声速分布对各阶简正波的影响.以卜仿真中保持海底参数不变，水中声速剖面Q分别取表1中各组参数(考虑声速线性变化)。在表1各组声速剖面影响卜波导中前3阶简正波频散曲线分别如图3至图5所示。3结论本文重点研究了流体层中声速剖面对波导中频散曲线的影响，从图2至图5的仿真条件对比来看,可得以卜结论：(1)波导中各阶简正波相速度无一例外随着声源频率的升高而降低，分界面上第0阶简正波Scholte波存在相速度上限niin(cz,Cp)，流体层中各阶简正波相速度则存在下限(2>Scholte波在声源频率很低时依然存在，儿乎不存在截止频率：而随着简正波阶数的增大，各阶简正波的截止频率也逐渐提高:(3) 海底Scholte波声速在低频段受声速分布的影响不大，海底Scholte声速受海底