海底声速频散对声传播特性影响规律研究
摘要
海底沉积物作为海洋波导的下边界，其声学特性一直是海洋声传播以及声场建模的
热点研究问题。一直以来，海底沉积物的各项参数虽被广泛考虑到海洋声传播的研究中，
然而其声速却往往被看作常数进行处理，这就导致理论建模和仿真分析中出现不可避免
的误差，现有研究已经表明海底沉积物是一种频散介质，其相速度不仅与声波频率有关，
还会随深度的变化而变化，因而，为了解决实际应用中人们经常忽略沉积物中声速频散
以及声速随深度变化的问题，本文基于简正波理论，利用四种方法分别对不同环境下的
简正波频散方程进行求解，根据简正波的本征值以及本征函数对声场进行分析，研究海
底声速频散以及随深度变化对声传播的影响。
本文首先利用抛物牛顿迭代法对频散方程进行求解，得到复数域上各阶简正波本征
值，利用本征值求得各阶简正波的相速度以及群速度并绘制频散特性曲线，研究环境参
数对简正波相速群速频散特性的影响。针对海底声速改变会对频散特性造成明显影响的
问题，在考虑海底沉积物声速频散的情况后，对声场进行仿真，将结果与海底沉积物中
声速为常数的情况进行对比，研究沉积物声速频散对声传播的影响。而后，考虑海底声
速连续分布的情况，基于W.K.B近似理论，对模态方程进行求解，获得了海底声速及密
度连续分布情况下的简正波本征值以及声波在海底的反射系数，将结果与海底沉积物的
声速为常数的情况进行对比，研究海底沉积物的声速随深度连续分布的情况对声传播特
性的影响。论文工作表明：
1、抛物牛顿迭代法的计算结果准确可靠，且精度较高，可以计算得到频散方程在实
数以及复数域的所有根，另外抛物牛顿法可以弥补KRAKENC声场计算程序无法计算
截止频率附近简正波本征值的不足。
2、环境参数的改变对简正波相速群速频散特性有影响。对于同一阶次的简正波，在
大于Airy频率的频带内，频率相同时，海水深度越大则群速度越大；海底声速越大则群
速度越小，群速度最小值越小，群速度变化越快，Airy波的长度越短；海底密度越大，
简正波群速度最小值越小，但变化并不明显；当考虑介质的声吸收时，Airy频率消失。
在考虑了海底声速频散后，水中接收宽带脉冲的时域波形出现明显展宽现象，且声波在
传播过程中有更多的能量返回到水中，水中声波的传播损失减小。在深海环境中，由于
深海声道轴的存在，海底对声传播的影响较小，因此除声源靠近海面或海底的个别情况
外，深海环境下海底声速频散对声传播影响较小。
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哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
3、在考虑了海底声速随深度连续分布的情况后，海底表层声速对声反射系数影响
强烈，表层声速越大，则声反射系数越大，而随着深度的增加，声速的变化对声反射特
性的影响越来越小，当达到一定深度后，即使声速变化很大，也不会对声反射特性造成
明显影响。另外，由于海底密度本身变化范围有限，因此海底密度的连续分布对声反射
特性并无较大影响。
关键词：简正波；频散方程；W.K.B近似；声速频散；声速连续分布
II
海底声速频散对声传播特性影响规律研究
ABSTRACT
Asthelowerboundaryofoceanwaveguides,theacousticcharacteristicsofmarine
sedimentshavealwaysbeenahotresearchtopicinsoundpropagationofsoundandfield
modeling.Foralongtime,althoughvariousparametersofmarinesedimenthavebeenwidely
consideredinthestudyofsoundpropagation,