本文是由Georges A. Dossot、Kevin B. Smith、Mohsen Badiey、James H. Miller和Gopu R. Potty共同撰写的研究论文，发表于《The Journal of the Acoustical Society of America》第146卷第3期，2019年10月1日。该研究主要探讨了在强非线性内波（Nonlinear Internal Waves, NIWs）活动期间，水下声能波动的情况，并使用了三维抛物线方程模型（Three-Dimensional Parabolic Equation Model, 3D PE Model）进行模拟。

研究背景

非线性内波（NIWs）在浅水环境中，尤其是大陆架边缘附近，由于潮汐力和不均匀的海底地形相互作用而产生。自20世纪90年代以来，研究者们已经认识到这些内波对声传播有显著影响。本研究的主要动机是通过2006年浅水实验（Shallow Water ‘06, SW06）中的声学测量数据，进一步探讨内波对声场的影响。特别是，当内波的波峰与声源-接收路径几乎平行时，水平折射效应变得尤为重要。

研究方法

研究使用了Monterey–Miami抛物线方程模型（MMPE Model）来模拟浅水环境中非线性内波穿过声场的情况。模型基于SW06实验中的声速剖面数据，假设内波波峰的变化（如曲率）可以忽略。通过宽带和模态能量指标，研究者分析了内波活动引起的声能波动。模型通过多次运行模拟了内波在空间和时间上穿过声场的过程，并对数据进行了统计分析。

研究流程

1. 实验设置与数据收集：SW06实验于2006年夏季在新泽西海岸进行，旨在进一步理解沿海水域中的声传播。实验中，研究船R/V Sharp部署了J-15声源，并记录了58次内波事件。本文重点关注第44次内波事件，该事件中内波波峰与声源-接收路径几乎平行。

2. 宽带数据分析：为了量化内波活动期间的声强波动，研究者使用了Duda等人和Fredericks等人提出的方法，分析了宽带声学数据。通过时间积分能量（Is）指标，研究者能够观察到声能在水柱中的深度依赖性，并识别出内波活动引起的声场波动。

3. 模态分解：通过宽带模态波束形成技术，研究者对接收到的信号进行了模态分解，分析了不同模态的能量分布。结果表明，低阶模态（如模式1-3）在声场中占主导地位，而高阶模态（如模式5-6）的能量和波动较小。

4. 三维抛物线方程模型：为了进一步理解内波对声场的影响，研究者使用了MMPE模型进行声传播模拟。模型考虑了三维声速剖面，并模拟了内波在声场中的传播过程。通过模态分解和统计分析，研究者揭示了内波引起的声场波动机制。

主要结果

1. 声场波动机制：研究发现，当内波波峰与声源-接收路径几乎平行时，水平折射效应显著。内波的前缘到达声源时，声场会出现聚焦和散焦现象，导致声能波动。特别是在完全平行的情况下，聚焦效应成为主导因素，而在非平行情况下，折射效应与内波通过引起的波动相当。

2. 统计分布：模型数据的统计分析表明，声强波动最符合对数正态分布，但在某些情况下趋于指数分布。小角度偏差（±5°）会导致声场能量分布的显著差异。

3. 频率依赖性：研究还发现，声场的频率依赖性显著。高频信号在水平折射和聚焦效应中表现出更精细的波动模式，而低频信号的波动较为平滑。

结论

本研究通过三维抛物线方程模型，深入探讨了浅水环境中非线性内波对声传播的影响。研究结果表明，内波引起的水平折射和聚焦效应是声场波动的主要机制。特别是在内波波峰与声源-接收路径几乎平行的情况下，聚焦效应显著增强了声场的波动。这一发现对于理解浅水声传播中的复杂现象具有重要意义，并为未来的声学实验和模型提供了新的见解。

研究亮点

1. 重要发现：研究揭示了内波引起的声场波动机制，特别是水平折射和聚焦效应在声传播中的重要作用。
2. 方法创新：研究使用了三维抛物线方程模型，能够更准确地模拟内波在声场中的传播过程。
3. 应用价值：研究结果对浅水声学实验设计和声传播预测具有重要参考价值，尤其是在内波活动频繁的海域。

其他有价值的内容

研究还探讨了海底参数对声场的影响，并通过敏感性分析确定了压缩衰减是影响声能分布的最重要因素。此外，研究还提出了未来可以进一步探讨的方向，如内波曲率和海底地形变化对声传播的影响。

本研究通过详细的实验数据和模型模拟，深入探讨了非线性内波对浅水声传播的影响，为相关领域的研究提供了重要的理论和实验依据。