浅海内波影响下的波导不变量变化特性分析-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 19 (2014) 194303 浅海内波影响下的波导不变量变化特性分析∗ 宋文华 胡涛 郭圣明 马力 1)(中国科学院声学研究所, 北京 100190) 2)(中国科学院水声环境特性重点实验室, 北京 100190) 3)(中国科学院大学, 北京 100049) ( 2014 年2 月24 日收到; 2014 年5 月12 日收到修改稿) 针对浅海内波引起波导不变量变化的问题, 利用声场波导不变量的概率分布并结合声场简正波的理论, 研究了内波活动下波导不变量的时变性, 给出了波导不变量变化的机理和规律. 具体结论是, 在负跃层波导 中, 声场的波导不变量的最大概率取值具有明显的频变特性. 内波环境下, 当声传播方向与内波波阵面平行 时, 接收声场简正波的幅度变化不大, 但是简正波的相慢度差和群慢度差的变化却能引起波导不变量最大概 率取值的变化; 而当声传播方向与内波波阵面垂直时, 内波引起的简正波耦合同样会导致波导不变量的最大 概率取值的明显变化. 关键词: 负跃层波导, 内波, 声场, 波导不变量 PACS: 43.30.Bp, 43.30.Pc DOI: 10.7498/aps.63.194303 的对应关系. 在这些应用研究中, 几乎都认为波导 1 引 言 不变量是一个固定不变的标量. 然而, 在负跃层等 非均匀声速剖面情况下, 声场的干涉条纹结构成分 在海洋波导中, 由于多途传播的影响, 声场分 复杂, 条纹斜率以及相应的波导不变取值具有一定 布在频率-距离(- 平面上会出现比较稳定和规 的分布范围, 难以用一个固定的常数来描述. 当存 律的条纹(striation) 结构, 这些多途干涉结构条纹 在内波的影响时, 声速剖面的时空变化还会引起波 的斜率与波导不变量 有直接的对应关系. 波导 导不变量值的时间变化. 不变量 的概念最初是由Chuprov 等于1982 年提 标准的波导不变量 定义为简正波相慢度p 12 差与群慢度 差的比值, − , 也可以 出来的 , 用于分析和解释海洋波导中的声场干 g p g 涉结构. 波导不变量 有很多潜在的应用价值, 是 从接收声场(- 平面的谱图(也称为LOFAR 图) 当前国内外水声学研究的热点, 比较多的应用就是 中估计得到1415 . 一般来说, 利用接收声场的不 声源距离估计. 文献[3—9] 研究了利用 的声源距 同干涉条纹可以得到不同的波导不变量 估值, 反 离估计方法, 文献[10] 和[11] 分别探讨了声矢量场 映了形成这些干涉条纹的简正波的相慢度差与群 的干涉结构的波导不变量的描述以及基于矢量场 慢度差比值的差异. 波导不变量 的具体取值还与 干涉结构的运动目标定位. 文献[12] 讨论了利用 发射接收深度、分析频段、水层声速剖面类型有关, 提高声场水平纵向相关的可能性, 文献[13] 的研究 尤其是水层声速剖面类型, 会显著改变波导不变量 工作利用 来消除波导频散引起的波形畸变. 文献 取值范围18 . 所以, 波导不变量 取值实际上并 [