浅海声学研究低频声波在大陆架海域中的传播和散射问题。《浅海声学原理》展示了截至2010年之前美国和俄罗斯两国学者在浅海声学领域新的理论和试验研究成果。作者对确定性和随机介质中的声传播理论、海底混响、海洋噪声、声学逆问题、声信号处理、海上声学试验等浅海声学研究所涉及的各个领域,以及与之密切相关的物理海洋学、海底地质学等学科进行了深入的论述。全书内容系统、全面,理论、模型与试验相容,是一部反映浅海声学研究高水平的学术专著。
当今世界,国际战略格局正在发生深刻变化。传统安全和非传统安全威胁因素相互交织,霸权主义、强权政治有新的表现,恐怖主义、极端主义、民族分裂主义此起彼伏,和平与发展的车轮在坎坷的道路上艰难前行。
发端于20世纪70年代的世界新军事变革,从酝酿、产生到发展,经历了近四十年由量变到质变的过程。海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争及伊拉克战争这几场高技术条件下局部战争确定了世界新军事变革的发展轨迹和基本走向,展现了未来信息化战争的主体框架。这场新军事变革就是一场由信息技术推动,以创新发展信息化的武器装备体系、军队编制体制和军事理论为主要内容的世界性军事变革。
世界军事变革大势促使军队改革步伐加快。世界范围的军事变革正在加速推进,这是人类军事史上具有划时代意义的深刻变革。美国凭借其超强的经济和科技实力,加快部队结构重组和理论创新,大力研发信息化武器装备,积极构建数字化战场与数字化部队。目前正大力深化军事转型建设,通过发展航空航天作战力量等40多项措施,进一步提高军队信息化程度和一体化联合作战能力。俄军也以压缩规模、优化结构、组建航天军、争夺制天权等为重点,全面推行军事改革,着力恢复其强国强军地位。英、法,德等欧洲国家和日、印等亚洲大国,则分别推出军队现代化纲领,努力发展最先进的军事科技,谋求建立独立自主的信息化防务力量。
世界新军事变革的发展趋势是:在人才素质方面,加速由简单操作型向复合知识型转化;在军事技术方面,加速由军事工程革命向军事信息革命转化;在武器装备方面,加速由机械化装备向信息化装备过渡;在战争形态方面,加速由机械化战争向信息化战争转变;在作战理论方面,正在酝酿着全方位突破;在军事组织体制方面,正朝着小型化、一体化、多能化的方向发展。此外,诸如战争本质、军事文化、军事法规等方面都在悄然发生变化。
胡锦涛同志指出:“我们要加强对世界新军事变革的研究,把握趋势、揭示规律,采取措施、积极应对,不断加强国防和军队现代化建设,为全面建设小康社会、加快推进社会主义现代化提供可靠的安全保障。”今天的人民海军正承担着完成机械化和信息化建设的双重历史任务,时不我待,形势逼人,必须顺应潮流,乘势而上,积极推进中国特色军事变革,努力实现国防和军队现代化建设跨越式发展。
信息时代的人民海军,责无旁贷地肩负着国家利益拓展、保卫领土完整的历史重任,我们只有以大胆创新和求真务实的精神全面推进军事技术、武器装备、作战理论、体制编制、人才培养等方面的变革,才能赶上时代的步伐,逐步缩小与西方强国之间的差距,最终完成信息化军队建设的重大任务,打赢未来的信息化战争。
根据海军现代化建设的实际需求,二OO四年九月以来,海军装备部与海军工程大学以高度的政治责任感和思想敏锐性,组织部分学术造诣深、研究水平高的专家学者,翻译出版了《海军新军事变革丛书》。丛书着重介绍和阐释世界新军事变革的“新”和“变”。力求讲清世界新军事变革进入质变阶段后的新变化、新情况,讲清信息化战争与机械化战争、信息化军队建设与机械化军队建设在各个领域的区别和发展。
Boris Katsnelson出生在俄罗斯的库尔斯克。1972年,他从沃罗涅日州立大学获得物理学学士学位,1976年从沃罗涅什大学获得理论物理学博士学位。之后,他在沃罗涅茨大学的物理系担任高级科学家,之后担任教授。Valery Petnikov出生于俄罗斯莫斯科,毕业于莫斯科国立大学。他获得了俄罗斯科学院物理和数学研究所物理学博士学位。1975年至1979年,在苏联科学院地球物理研究所工作。1998年,他加入俄罗斯科学院(莫斯科)普通物理研究所波浪研究中心,担任同一实验室的负责人。James Lynch 于1972年从史蒂文斯理工学院获得物理学学士学位,1978年获得德克萨斯大学奥斯汀分校物理学博士学位。1978年至1981年,他在德克萨斯大学奥斯汀分校(ARL/UT)的应用研究实验室工作了3年,之后加入了伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的科研人员,目前担任应用海洋物理和工程系的资深科学家,研究的领域是海洋声学和声学海洋学。
程广利,毕业于海军工程大学振动与噪声研究所,现目前在海军工程大学电子工程学院任教,主攻海军水声技术专业。目前已在各大核心期刊发表多篇专业论文。张亚蕾 ,现目前在海军工程大学电子工程学院任教,主要研究水下工程。
第1 章 什么是浅海声学 ........................................................................... 1
1.1 浅海与深海的区别 ....................................................................... 1
1.2 浅海声学的过去与现状 ............................................................... 4
1.3 浅海声学的未来 ......................................................................... 12
1.4 以往研究热点――回顾与更新 .................................................. 16
第2 章 沿岸海洋学、地质学和生物学 .................................................. 20
2.1 作为声波导的沿海 ..................................................................... 20
2.2 海水特性:沿深度分层及季节性变化 ...................................... 22
2.3 水平分层及其变化:锋面、涡旋、表面声道和风暴潮 .................. 27
2.4 海洋表面动力学:表面波 ......................................................... 36
2.5 海洋中的动力学过程:潮汐和内波 .......................................... 38
2.6 沿岸内波试验研究 ..................................................................... 48
2.7 沿岸地理学和地球物理学 ......................................................... 57
2.8 沉积层的声学特性 ..................................................................... 62
2.9 海底粗糙度 ................................................................................. 70
2.10 固态及多成分分层海底模型 ................................................... 73
2.11 沿岸生物的声学特性 ............................................................... 78
第3 章 声传播理论基础 ......................................................................... 87
3.1 吸收边界分层波导中的点源声场.............................................. 87
3.2 Pekeris 模型 ................................................................................ 94
3.3 扰动理论和WKB 法 ................................................................ 103
3.4 射线声场及射线-简正波关系 ................................................... 111
3.5 浅海局部非均匀波导中的模式耦合 ........................................ 121
3.6 浅海缓变非均匀波导中的模式耦合 ........................................ 126
3.7 浅海中的水平折射(三维问题) ............................................ 133
3.8 抛物方程 ................................................................................... 147
第4 章 解释波导传播特性的样例 ........................................................ 155
4.1 常见传播损失实例(含浅海声衰减的简化理论) ................ 155
4.2 固态、多成分、多孔弹性及分层海底模型的简化描述 ................ 167
4.3 最佳频率 ................................................................................... 172
4.4 声场的干涉结构和干涉不变量 ................................................ 176
4.5 浅海波导中声信号的频散 ....................................................... 182
4.6 波导中声场的平均表征 ........................................................... 192
第5 章 随机非均匀浅海中的声场 ........................................................ 203
5.1 不同种类随机非均匀的结构和模型 ........................................ 203
5.2 用相干和非相干分量描述随机声场 ........................................ 207
5.3 模间相互作用方程 ................................................................... 208
5.4 声强方程 ................................................................................... 214
5.5 扩散方程和平均衰减规律 ....................................................... 219
5.6 几个例子 ................................................................................... 223
5.7 出现本底内波时的声场起伏.................................................... 233
5.8 声强起伏的模型与统计特性.................................................... 241
第6 章 浅海中的低频海底混响 .............................................................. 250
6.1 海底对声波的后向散射 ........................................................... 250
6.2 规则波导中海底混响的模式理论 ............................................ 256
6.3 低频海底混响的数值仿真 ....................................................... 261
6.4 用扩展阵研究远程混响 ........................................................... 265
6.5 随机非均匀波导中的远程混响 ............................................... 271
第7 章 逆问题 ....................................................................................... 279
7.1 一般考虑:线性逆问题 ........................................................... 279
7.2 海底与海水对?q1 及求逆影响的比较 ...................................... 285
7.3 广义逆的解及误差,及来自科珀斯?克里斯蒂的例子 ................ 291
7.4 用多种数据类型反演非线性海底特性的范例 ........................ 299
7.5 宽带试验以及海底参数与频率的关系 .................................... 305
7.6 利用环境噪声源反演海底地声参数 ........................................ 314
第8 章 信号处理 ................................................................................... 321
8.1 数据处理技术的原理 ............................................................... 321
8.2 浅海中的匹配场处理 ............................................................... 329
8.3 浅海中声场的空间相干性和阵列信号增益 ............................ 340
8.4 模滤波 ....................................................................................... 349
8.5 浅海声场中的时间反转镜 ....................................................... 364
8.6 声学不确定性 ........................................................................... 374
第9 章 浅海噪声场 ............................................................................... 381
9.1 噪声源模型:一般方程 ........................................................... 381
9.2 波导中海面噪声源声场的连续谱和离散谱之间的关系 ................... 392
9.3 海底吸收系数的频率特性对噪声谱的影响 ............................ 396
9.4 声场垂直指向性及随机非均匀性的影响 ................................ 399
9.5 声速剖面对噪声强度垂直分布的影响 .................................... 410
第10 章 浅海声学设备和试验考虑事项 .............................................. 416
10.1 用于大尺度声学监测的频段 ................................................. 416
10.2 低频声源 ................................................................................. 418
10.3 声接收阵及大陆架上的大范围声学观测试验设计 ................. 432
第11 章 未来 ......................................................................................... 443
11.1 简介 ......................................................................................... 443
11.2 物理海洋学 ............................................................................. 443
11.3 海底声学特性 ......................................................................... 447
11.4 声传播理论和建模的新方向 .................................................. 449
11.5 与随机效应有关的物理现象 .................................................. 450
11.6 反演问题 ................................................................................. 451
11.7 信号处理 ................................................................................. 453
11.8 海洋学、声学设备和调查方法的最近和未来进展 .............. 455
附录A 波与信号 .................................................................................... 458
A.1 解析信号和波 .......................................................................... 458
A.2 表面波 ...................................................................................... 464
A.3 内波 .......................................................................................... 472
A.4 声波 .......................................................................................... 482
附录B 点源声场的模式分解(格林函数) ......................................... 488
附录C 模式耦合方程 .......................................................................... 496
附录D 经验正交函数 .......................................................................... 501
附录E 波导中的局部非均匀散射:整体描述 ....................................... 507
附录F 半空间中的平面波反射 ............................................................. 514
参考文献 ............................................................................................. 518