本文由Dirk Tielbürger、Steven Finette和Stephen Wolf共同撰写，他们来自美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory, Washington, DC）。该研究于1997年2月发表在《Journal of the Acoustical Society of America》上，题为《Acoustic Propagation through an Internal Wave Field in a Shallow Water Waveguide》。研究的主要目标是预测和解释在随机海洋波导中声波场的特性，特别是声速分布由确定性分量和随机分量（由内波活动引起）组成的情况。

研究背景

浅水波导中的声波传播是一个复杂的问题，尤其是在声速分布具有随机性的情况下。与深水波导不同，浅水波导中的声波传播需要考虑边界相互作用和声速分布的随机性。内波活动是浅水环境中声速波动的主要来源之一，其随机性对声波传播的影响尤为显著。本文通过数值实验，研究了内波引起的声速波动对声波场特性的影响，特别是对声波强度波动（闪烁指数）的影响。

研究方法

研究采用了高角度弹性抛物方程方法（high-angle elastic parabolic equation method）来计算声波场的单频实现。声速分布由三个部分组成：一个确定性的、时间独立的声速剖面，以及两个由内波活动引起的随机分量。其中一个随机分量是空间扩散的Garrett-Munk场，另一个是空间局域的孤立子包（soliton packets）。通过数值模拟，研究计算了不同声源深度和不同海底地形下的声波传输损失和闪烁指数的集合平均值，并分析了模态耦合的统计特性。

研究结果

研究的主要结果包括： 1. 声波传输损失：通过数值模拟，研究计算了确定性声速分布和随机声速分布下的声波传输损失。结果表明，随着内波活动的引入，声波场的相干性逐渐丧失，特别是在长距离传播时，模态耦合效应显著。 2. 闪烁指数：研究发现，浅水波导中的闪烁指数随着传播距离的增加呈指数增长。这一现象与深水波导中的饱和行为不同，主要是由于浅水波导中模态剥离（mode stripping）和模态耦合（mode coupling）之间的竞争。 3. 模态统计：通过对声波场进行模态分解，研究发现模态强度和模态闪烁指数的渐进行为与理论预测一致。特别是在长距离传播时，模态强度的衰减率和模态闪烁指数的增长趋势与理论模型相符。

结论

本文通过数值模拟和理论分析，揭示了浅水波导中声波传播的复杂特性。研究结果表明，内波引起的声速波动对声波场的统计特性有显著影响，特别是在长距离传播时，模态耦合和模态剥离的竞争导致了闪烁指数的指数增长。这一发现对理解浅水环境中的声波传播机制具有重要意义，并为未来的实验设计和理论模型提供了参考。

研究亮点

1. 新颖的研究方法：本文采用了高角度弹性抛物方程方法，结合内波活动的随机性，成功模拟了浅水波导中的声波传播特性。
2. 重要的理论预测：研究验证了浅水波导中闪烁指数随距离指数增长的理论预测，这一现象在深水波导中并不存在。
3. 实际应用价值：研究结果对浅水环境中的声学实验设计和声波传播预测具有重要的应用价值，特别是在海洋声学和军事声学领域。

总结

本文通过详细的数值模拟和理论分析，深入探讨了浅水波导中声波传播的统计特性，特别是内波活动对声波场的影响。研究不仅验证了理论模型的预测，还为未来的实验和理论研究提供了新的方向。