计算海洋声学  021M2043H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:一级学科普及课 | 任课教师:骆文于
授课时间: 星期五, 第5、6、7节
授课地点: 教1-121
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20
授课时间: 星期五, 第5、6、7节
授课地点: 教1-121
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20
课程编号: 021M2043H 课时: 54 学分: 2.0
课程属性: 一级学科普及课 主讲教师:骆文于
英文名称: Computational Ocean Acoustics

教学目的、要求

本课程为声学及其相关专业研究生的专业课,也可作为其他学科的选修课。本课程主要讲述声波在分层海洋波导中的传播理论,以及常用的水下声场计算方法,如波数积分方法、简正波方法、抛物方程方法等。通过本课程的学习,要求学生掌握水下声传播的基本规律和常用的水下声场计算方法,能够利用学到的数值计算方法开发实用的水下声场计算模型。

预修课程

高等数学、普通物理

教 材

Finn B Jensen, William A Kuperman, Michael B. Porter, Henrik Schmidt. Computational Ocean Acoustics (2nd Ed.), Springer, 2011

主要内容

绪论(3学时)
1、计算海洋声学的研究内容
2、计算海洋声学发展历史
3、课程总体安排
教学重点:介绍计算海洋声学的研究内容、发展历史,以及课程总体安排和要求。

第一章 计算海洋声学基础(3学时)
1、海洋声学预备知识
2、海洋中的声传播
3、体积吸收
4、海底损失
5、边界与体积散射
6、环境噪声
7、声传播模型
教学重点:首先介绍海洋环境;然后描述性介绍计算海洋声学涵盖的研究方向,为后续学习奠定基础。

第二章 波传播理论(9学时)
1、波动方程
2、Helmholtz方程
3、均匀介质
4、分层介质与波导
5、深海波导
教学重点:首先由流体动力学理论推导出声波动方程,进而推导出Helmholtz方程,然后介绍声波在不同介质中的传播规律,为接下来要学习的几种具体水下声场计算方法打好基础。

第三章 波数积分方法(12学时)
1、数学推导
2、深度方程的数值解
3、反射系数
4、波数积分
5、数值算例
教学重点:介绍计算水下声场的波数积分方法。该方法与下面一章将要介绍的简正波方法数学基础完全相同,只是在计算积分时采用了不同的技术。这一章将重点介绍如何求解深度方程,尤其是全局矩阵方法,并与传统的传播矩阵方法进行比较。此外,还将介绍波数积分方法的数值实现过程。

第四章 简正波方法(12学时)
1、数学推导
2、Green函数的简正波展开
3、等声速问题
4、深海问题
5、简正波扰动理论
6、水平变化环境中的简正波
7、数值算例
教学重点:简正波方法是海洋声学中的一个非常重要的方法。首先利用分离变量法推导出简正波方程,然后利用理想波导问题演示简正波方法的基本特征。本章还将介绍对一般分层介质如何用数值方法获得简正波解。此外,还将简要介绍耦合简正波理论及其在求解水平变化波导问题中的应用。

第五章 抛物方程方法(9学时)
1、推导抛物方程
2、初始场
3、利用FFT的解
4、抛物方程方法的能量守恒问题
5、数值算例
教学重点:首先介绍抛物方程方法的基本理论,并从理论上分析该方法相位误差与角度限制的原因,然后介绍该方法最近的研究进展,最后演示如何利用该方法求解水平变化波导中的声传播问题。

第六章 宽带建模技术(3学时)
1、频域解的Fourier合成
2、时域解 
3、数值算例
教学重点:在线性声学框架下,基本上有两种方法可模拟宽带信号在海洋波导中的频散。一种方法是利用Fourier合成技术求解脉冲传播问题,该方法的优点是我们可以直接利用前面介绍的声场计算方法。另一种方法是直接在时域求解脉冲传播问题。本章将以Fourier合成方法为主,介绍脉冲在海洋中传播的主要特征。

第七章 目前流行的水下声传播模型的使用、比较与分析(3学时)
1、几种现有模型的使用方法
2、数值算例与比较分析
教学重点:介绍如何利用现有的水下声传播模型计算水下声场,通过具体算例比较、分析各个模型的优缺点。

教学手段与方法:课堂讲授
考核方式:课外作业+项目报告+课堂开卷考试

参考文献

1、L. M. Brekhovskikh, etc., Fundamentals of Ocean Acoustics (third Ed.), Springer,2003
2、汪德昭等,水声学,科学出版社,1981
3、刘伯胜等,水声学原理,哈尔滨工程大学出版社,1993