非线性现象是一种在自然界普遍存在的现象,任何一个自然界的物理系统都是非线性系统。随着科学技术的不断发展,传统的线性假设无法满足对物理系统模型的精确描述,非线性因素变得越来越重要。非线性声学是非线性科学其中一个分支,当声波的振幅足够大或者介质非线性产生作用时,非线性项不能忽略,声波也不满足叠加原理。声波非线性互作用会产生和频波、差频波以及高次谐波;由于高次谐波在水介质中传播时,衰减系数较大,所以主要研究对象是声场中的和频波与差频波。本文利用Westervelt方程描述两列声波非线性相互作用过程,通过逐次近似法推导得到两列平面波非线性互作用、平面波与球面波非线性互作用声场中的和差频波时空演变规律。当两列波共线传播时,形成的和差频声场声压级在轴向方向具有累加性,轴向相位变化满足行波相位变化规律。当平面波与球面波非共线传播时,声压级随着随着波矢量夹角的增大而振荡空间周期变多且满足球面波衰减规律,满足球面波衰减规律的起始点与波矢量夹角有关;在误差允许范围内,湖上试验结果与仿真结果基本吻合。利用两列声波非线性互作用声场的时空演变规律可以去设计相应的水听器接收基阵,用阵增益弥补参量接收阵转化效率不高的缺点。对于共振三波非线性互作用过程主要对两列球面波对向传播和同向传播两种情况进行研究;推导了平面波与对向传播的两列球面波非线性相互作用的源函数,将利用Burgers方程得到描述三波过程的表达式转化为椭圆方程,通过求解椭圆方程的方法得到共振三波非线性互作用时的幅度参量解析解与共振相位。利用有限元方法对声波非线性相互作用形成声场数值仿真,对向传播的同频球面波与平面互作用声场中轴向和差波声压级在中心位置处声压级最低,轴线相位空间分布与其轴向声压级分布具有相似性。当两列球面波的声源级相同时,对向比同向产生的差频波声压级要低;相位传播规律在波矢量夹角角度较小时基本一致。利用三列声波非线性互作用声场的时空演变规律设计高频发射换能器发射的泵波幅度和相位实现对低频弱信号进行放大。在共线且最佳相位情况下,各个阵元低频信号增强的增加量在5～10d B左右,当低频波入射角变化时,最优相位发生改变;在一定误差允许范围内,可获得试验结果与仿真结果较为一致的低频声波放大效应。