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内波对水下声信号时间相关性影响的数值和实验研究
摘要：
本文主要针对内波对水下声信号时间相关性的影响进行了数值模拟和实验研究。数值模拟采用了CFD技术，模拟了不同内波条件下声波在水中的传播，得到了声信号在时间域与频域上的特征。实验研究则通过水下声学实验室的装置，在内波条件下进行了声信号的传播实验，得到了声信号的接收信号和时间相关性的变化特点。通过对比数值模拟和实验研究结果，得到了内波对水下声信号时间相关性的影响规律。本研究对于深入了解内波在水下声信号传播中的影响具有一定的参考价值。
关键词：内波、水下声信号、时间相关性、数值模拟、实验研究
1. 引言
在海洋测量和勘探中，水下声波成为了一种重要的探测工具。但是，海洋中存在着各种复杂的环境因素，例如海洋中的逐渐变化的水温、水密度等，以及水下内波等等。这些复杂环境因素会严重影响声波的传播性能，在一定程度上制约了水下声波探测的效率和精度。因此，对于这些复杂环境因素的影响进行研究和分析，是提高水下声波探测技术的重要途径。
内波是海洋中常见的一种波动现象，它是指在海洋中由于密度梯度不同所形成的波动现象。由于内波具有周期性和不规则性的特点，对于水下声波传输会产生很大的影响。内波会引起水下声波的干扰和衰减，从而影响声波的传输距离和传播速度等。因此，对于内波对水下声信号的时间相关性影响进行研究和分析，具有很重要的实际意义。
本文主要采用数值模拟和实验研究的方法，对内波对水下声信号时间相关性的影响进行分析。首先，通过CFD技术对内波情况下声波在水中的传播进行数值模拟，得到声波信号在时间域和频域上的特点。然后，利用水下声学实验室的装置，进行内波条件下的声信号传播实验，得到二次信号的接收信号和时间相关性的变化特点。通过对比数值模拟和实验研究结果，得到了内波对水下声信号时间相关性的影响规律。
2. 数值模拟
模型设定
为了模拟内波对水下声信号的影响，本文选择了一个包含内波的三维复合流场。××，其中内波的波长为50m，波高为3m。××，在三个方向上均匀分布。模拟使用的软件为OpenFOAM。
图1：模拟设定图
数值模拟结果
声波传播过程中最重要的性质是声波强度的时间演化特性。图2给出了不同内波条件下声波在不同位置和时间上的声场分布。可以看到，随着时间的增加，不同内波条件下的声波的声场强度发生了很大的变化。当内波存在时，声波的声场分布出现了很大的不规则性，同时声波传播的距离也有所减小。这种不规则的声波强度分布，说明了内波是如何影响声波传递的。
图2：不同内波条件下声波在不同位置和时间上的声场分布
另外，声波在频域上的特征也是声波传递研究中的重要部分。图3给出了不同内波条件下声波在频域上的幅度谱和相位谱。可以看到，内波对声波信号在频域上也产生了显著的影响。当内波存在时，声波信号在低频区域内出现了很大程度的衰减。
图3：不同内波条件下声波在频域上的幅度谱和相位谱
3. 实验研究
实验装置
本文采用水下声学实验室装置进行水下声信号传播实验。装置主要由声发生器和接收器组成，声发生器负责发出声信号，接收器负责接收到声信号并进行信号处理。装置的工作环境为封闭的水箱中，××。内波产生使用的是机械震荡台。
图4：实验装置图
实验结果
实验中，在不同内波条件下将声信号发射到水下，并记录接收到的声信号和二次信号。图5给出了不同内波条件下接收到的声信号和二次信号。可以看到，内波的存在对声信号的接收产生了很大的影响，同时二次信号的强度也出现了很大的变化。当内波存在时，二次信号的强度明显降低，说明了内波对于信号传递的干扰。
图5：不同内波条件下接收到的声信号和二次信号
另外，本文还对内波对声波时间相关性的影响进行了测量。测量结果如图6所示，可以看到，在不同内波条件下，声波的时间相关性都有所减小。这表明内波对水下声信号时间相关性有明显的影响。
图6：不同内波条件下声波时间相关性的变化
4. 结论
通过数值模拟和实验研究，本文得出了如下结论：
（1）内波对水下声信号的传递距离和传播速度等产生了很大的影响；
（2）内波会产生不规则的声场分布，对声波传递有干扰作用；
（3）内波对水下声信号在频域上产生了显著的影响，使得声波在低频区域内出现了很大程度的衰减；
（4）内波对于水下声信号的时间相关性有明显的影响，会降低时间相关性。
5. 参考文献
[1] 郑保国，朱慧兰，张璐. 内波对浅海水下声信号传播影响的数值研究[J]. 现代海洋，2017，35(12)：117-122.
[2] 王振宇，张瑞霞，王施敏. 声波与内波相互作用研究现状及进展[J]. 声学技术，2018(1)：75-78.
[3] 李振兴，王振宇. 内波对海洋声学观测的影响[J]. 现代海洋，2017，35(4)：61-66.