基于FFP算法的水下低频声传播特性研究

• 作 者: 张军
• 发表日期: 2008年期
• 关键词: 快速场(FFP)算法 水下声传播 阵列聚焦

本文从流体力学的基本方程组出发,经理论推导得出了声波在均匀介质和非均匀介质中传播的线性波动方程,再结合具体的边界条件,并假设传播介质水平分层且与距离无关,通过传播矩阵、迭代函数和快速傅立叶变换的方法,从理论上推导了求解声场的快速场(FFP)算法。然后以声波在两层流体介质中的传播为例,从严格的理论解和其它数值算法解两个方面对快速场(FFP)算法的正确性进行了验证。接下来对影响声波传播的海面与海底边界的反射、散射特性进行了分析,并对海底沉积物参数对声传播的影响以及水体和海底对声波的吸收进行了分析。最后利用快速场(FFP)算法对浅海声速不变波导模型,包括液态海底模型、固态海底模型以及分层海底模型中单频点源声波的传播进行了计算模拟。结果表明,传播介质参数、声波频率和声源深度会影响传播损失和声场分布。并对具有声速梯度的浅海和深海波导模型中的单频点源声波的传播进行了计算模拟。结果表明,浅海具有正声速梯度时更有利于声波的传播,典型的深海声速剖面会使声线在一定深度发生反转,并在一定的传播距离上在海面附近造成声能的汇聚。研究发现,单频全向性点源声波的传播受到边界的影响很大,声波在浅海传播时声场在整个距离上出现了相干的情况,这对于声波的远程传播和声能的集中利用是很不利的。因此,本文对均匀线性阵列和均匀环形阵列的远场指向性及声场分布进行了分析,并指出适当的阵列结构、阵元数量、声波频率和阵元间距能有效的改善声波的辐射性能。