淺海負躍層海底單參數模型研究

趙梅，胡長青

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淺海負躍層海底單參數模型研究

趙梅1,2，胡長青1

(1. 中國科學院聲學研究所東海研究站，上海 200032；2. 中國科學院大學，北京 100190)

海底反射特性在淺海聲傳播中起著決定性的影響。用小掠射角下海底反射損失隨掠射角變化率dB構建單參數模型可很好地描述淺海海底特性。對單參數模型進行深入研究和改進，建立了在淺海負躍層條件下描述水下聲場的海底單參數模型，并利用數值仿真和海上實驗數據，對淺海負躍層海底單參數模型水下聲場預報的正確性進行了驗證。

海底單參數模型；淺海負躍層；聲場預報

0 引言

人們通常通過建立地聲模型來研究海底性質。對于地聲模型的建立，從理論上來講，一方面，海底沉積環境復雜和區域環境相差明顯，實際的海底不可能由任何單一的地聲模型來確定。過于精細的模型往往在某種類型海底下與實驗符合較好，其他環境下就不再適用。而一般化的簡單模型在一定程度上可以簡化沉積物本身的復雜性和區域的特殊性，具有較好的普適性；另一方面，根據獲取海底信息的目的，海底參數反演需要用盡可能簡單的等效模型，反演出等效海底參數用于預報海洋中的聲場[1]。由此可見，對簡化的地聲反演模型進行研究的重要性不亞于復雜模型。

從實際應用來講，理解和評估海洋中的聲傳播，至少需要用到沉積層的密度、聲速和聲衰減系數等參數，某些復雜的模型還需要彈性系數以及分層信息等，為獲取這些物理量，以匹配場[2]為代表的一系列反演辦法都是多維地聲模型上的多參數反演。這種多維反演過程可看作是對多維參數的求解，不僅加大了海上測量的復雜程度，信號處理比較復雜，而且各個參數的敏感性以及參數間的耦合常常令操作者在效率和穩健性上進退維谷。絕大多數多維反演都需要整合測量數據和事后處理，難以在日常海上作業中即時使用。

國內外許多聲學工作者，如Etter[3]、尚爾昌[4]等均提到在大量實測數據中淺海聲場有一個顯著的特征：小掠射角下海底反射損失隨掠射角變化率dB(dB/rad)呈近似線性。近年來我們提出用該單個參數dB來表示海底反射性質，構建單參數模型描述海底聲學特性，對水下聲場進行預報，并設計了一些時域反演方法，取得了一些階段性成果[5-7]，但仍存在一定的局限性。

在之前的研究中，單參數模型描述水下聲場的理論是在淺海可以近似為均勻水層的前提上建立的，然而在實際運用中，大部分聲場環境為非均勻淺海，當聲速剖面為強躍層時，之前建立的單參數模型描述聲場理論將不再適用[8]。本文在前期的單參數模型研究基礎上，基于平滑平均理論進行推導，得到了在淺海負躍層條件下用單參數dB表示水下聲場的關系表達式，并利用數值仿真以及實驗數據進行了驗證，擴展了單參數模型描述水下聲場的適用范圍。

1 單參數模型簡介

根據大量觀測數據中小掠射角下反射損失隨掠射角似線性增長的規律，提出以小掠射角下反射損失隨掠射角的變化率dB(dB/radian)作為描述海底性質的單參數。定義單參數dB與海底反射損失及掠射角的關系表示為

由于超過臨界角的反射聲衰減非常快，一定距離后對淺海聲場的影響可以忽略，淺海聲場主要由小掠射角下的反射聲控制，所以單參數模型在方便快速反演的同時能較好地描述聲場。

式中：為簡正波號數；為海深；為波長；有效簡正波數，且

(3)

場強表達式(2)中，波長為一常數，因此計算波長時只能使用海水平均聲速，即海水視為等聲速剖面，該式無法應用于非勻速海水情況。下面將研究在負躍層條件下可描述水下聲場的單參數模理論。

2 淺海負躍層單參數模型理論推導

負躍層聲場具有明顯的深度結構，它的深度結構不像負梯度那樣具有隨深度連續變化的特性。由于躍層下往往是梯度很小的近等溫層，因此將其簡化抽象為兩個均勻層組成的理想躍層。本文主要討論“強躍層”情況。對于理想躍層，按照極點分布有兩類簡正波，第I類簡正波()，我們稱為“層下波”，第II類簡正波()，我們稱為“穿透波”，如圖1所示。和分別為理想躍層簡正波水平波數、躍層上層簡正波水平波數和躍層下層簡正波水平波數。

我們從平滑平均聲場理論出發，推導在淺海負躍層條件下，“層下波”和“穿透波”用單參數描述的場強表達式。

在理想負躍層條件下，對遠場有主要貢獻的主導簡正波可以表示為：

經過一系列與文獻[5]中均勻水層類似的推導過程，最終得到層下波平均聲強的表達式為

(6)

對于“穿透波”，考慮到穿透躍層前后“聲線管”截面較大，理想躍層情況下，聲強為的點源在距離處激發的穿透波平均聲強的簡正波聲場經過平滑平均處理可以表示為

(9)

(10)

(11)

從而

當不是很大，滿足條件(13)和(14)時

(14)

從而

(16)

其中，(18)

聯合式(3)、式(4)、式(6)、式(17)和式(18)，即可得到淺海負躍層條件下，單參數模型表示水下聲場的最終表達式。

3 負躍層單參數模型數值仿真驗證

3.1 模擬海洋環境

采用半無限大均勻液態海底模型，海底參數的設置源自典型的東海沉積數據，海水聲速剖面為強躍層，理想負躍層上均勻層厚度為35 m，海深為80 m，中心頻率為200 Hz，忽略海水聲衰減(值為0)，海水密度、聲速剖面及海底密度、聲速和聲衰減等仿真環境參數設置如圖2所示。

以半無限大液態海底模型為基礎，用Hamilton吸收-頻率關系的、、液態海底的瑞利反射損失物理機制考慮海底基本參數壓縮波波速1、密度1以及衰減系數(dB/λ)之間相互耦合的關系，通過文獻[5]中的數學近似，dB可以表示為

其中：和是海底附近的海水聲速和密度。

利用公式(19)計算得到海底單參數dB在200 Hz時值為0.82 dB/rad。

3.2 淺海負躍層單參數模型聲場預報仿真結果

通過計算機數值仿真，來驗證負躍層條件下改進后的單參數模型描述水下聲場理論的準確性。

根據負躍層單參數模型描述水下聲場理論，聯合式(3)、式(4)、式(6)、式(17)和式(18)，代入模擬環境參數以及相應的海底單參數dB值來仿真計算圖2環境下負躍層單參數模型聲場，預報結果如圖3所示。

通過圖3中負躍層單參數模型聲場數值預報結果可以看出，在淺海負躍層條件下，聲源、接收位置位于躍層上下的不同，聲傳播衰減相差會很大。下發下收時的聲傳播衰減最慢，上發下收或下發上收時的聲傳播衰減最快。

將負躍層海底單參數模型計算出的傳播衰減結果與相同環境下平滑平均聲場理論以及RAM算法數值計算結果進行比較，圖4(a)、4(b)、4(c)和4(d)分別為負躍層條件下，上發上收、上發下收、下發上收和下發下收時三種仿真模型傳播衰減計算結果比較圖。

從圖4可以看出，淺海負躍層條件下，完善后的單參數模型仿真結果與平滑平均聲場理論以及RAM算法計算結果符合很好，說明本文給出的負躍層單參數模型在仿真條件下可以很好地描述水下聲場。

4 負躍層單參數模型實驗驗證

4.1 實驗簡介

本文所用實驗數據來自2002年夏季青島海域的聲傳播實驗。實驗設備布置如圖5所示。傳播實驗海域海深為43.3 m，海底底質為砂質底中的細砂。海水聲速剖面如圖6所示。

實驗采用“科學一號”和“金星二號”雙船作業，科學一號船為接收船，到達第5站點處拋錨，船下掛16元垂直水聽器陣接收聲信號。垂直陣陣元間隔為2 m，覆蓋了從6.7~36.8 m深的大部分海域。金星二號船為發射船，直線航行過程中投放25 m深度爆炸的38 g信號彈，并記錄投彈時刻發射船與接收船之間的距離。

4.2 實驗數據驗證

利用實驗數據對負躍層單參數模型描述水下聲場的正確性進行驗證。實驗中，聲源爆炸深度為25 m，位于溫躍層下方。接收深度覆蓋躍層上下大部分海深范圍。

根據負躍層單參數模型計算水下聲場時，海底聲學參數選用Hamilton給出的大陸架和大陸坡沉積層細砂質底時對應的沉積物聲學參數，海底聲速為1759 m/s，海底密度為1.962 g/cm3，海底聲吸收系數為0.523，海底聲衰減隨頻率(kHz)呈一次方關系。利用式(19)計算得實驗海底單參數dB在200 Hz時值為0.36 dB/rad，在1000 Hz時值為2.71 dB/rad。傳播衰減實驗值采用1/3倍頻程平均，取16元垂直水聽器陣中分別位于躍層上方和下方的不同水聽器接收到的結果。圖7和圖8分別為中心頻率200 Hz和1000 Hz時負躍層條件下完善后的單參數模型計算的聲傳播衰減與實驗值的比較圖，從圖7和圖8可以看出，位于躍層下方的不同深度上的水聽器接收到的聲傳播衰減實驗值與理論預報結果符合較好，位于躍層上方的不同深度上的水聽器接收到的聲傳播衰減實驗值分布較為離散，但是其趨勢總是在單參數模型計算的理論預報結果附近均勻分布，從而驗證了本文推導的負躍層單參數模型描述水下聲場的正確性。

從圖7和圖8可以看出，位于躍層上和躍層下的水聽器接收到的聲傳播衰減實驗值與理論預報結果符合較好，從而驗證了本文推導的負躍層單參數模型描述水下聲場的正確性。

5 結論

本文基于平滑平均理論進行推導，得到了淺海負躍層條件單參數表示水下聲場的關系表達式。數值仿真和實驗數據驗證結果表明，改進后的單參數模型可以用于淺海負躍層條件下的水下聲場預報，擴展了單參數模型的應用范圍，為單參數反演方法的設計提供了新的思路。

致謝：感謝中國科學院聲學研究所聲場聲信息重點實驗室為本文模型的驗證提供海上實驗數據。

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Research on the single parameter seabed model for underwater acoustics field prediction in thermocline shallow water

ZHAO Mei1,2, HU Chang-qing1

(1. Shanghai Acoustic Laboratory, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200032, China;2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The sound propagation in shallow wateris dominated by the seabed reflection properties. The slope of bottom loss versus grazing angledB(dB/radian) was proposed as the single parameter to describe the characteristics of sea bottom. Accordingly, asingle parameter seabed model was established. In this paper, further research on the single parameter seabed model is conducted. Through the improvement, this advanced single parameter model could be applied to predicting underwater acoustics field in thermocline condition. The improved model’s applicability to underwater acoustics field prediction in thermocline shallow water is proved by numerical simulation and experimental data.

single parameter seabed model; thermocline shallow water; acoustics field prediction

TB566

A

1000-3630(2015)-02-0103-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.02.001

2015-01-08;

2015-03-19

國家自然科學基金資助項目(11174323)。

趙梅(1984－), 女, 江蘇泰興人, 博士研究生, 研究方向為水聲技術。

趙梅, E-mail: zhaomei@mail.ioa.ac.cn