浅海声学原理

　　本书由两名俄罗斯学者和一名美国学者合著，是一部涵盖浅海声学领域*新研究的**性著作。主要内容包括：浅海海洋学、地质学中的声学特性；介质均匀分层、非均匀、非平稳及随机非均匀等浅海波导中的声传播理论、建模方法及海上试验实例；浅海中的低频海底混响、噪声场特性、建模与试验方法；与现代信号处理技术相结合的海底介质声学参数的多种反演方法，以及匹配场、模滤波、时间反转镜等浅海中的声定位技术。

　　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。JamesLynch 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