基于Comsol仿真的艦船地震波分析

王 旭 呂俊軍 崔 培

基于Comsol仿真的艦船地震波分析

王 旭 呂俊軍 崔 培

艦船物理場探測技術中，艦船航行引發的地震波信號可以作為水聲探測信號的補充。針對淺海中聲波傳播方程進行推導，可以論證海水海底界面波的存在。艦船地震波的加速度信息在其頻帶中更容易被測量。通過對Comsol軟件仿真結果的分析，研究了不同頻率的艦船地震波加速度信號在不同介質層的水平以及垂向分布特性。

目前，艦船減震降噪技術日益成熟，噪聲得到了很大抑制。特別是噪聲在淺海傳播過程中，聲波在短時間內經過多次海底海面反射，原本就被抑制到很弱的聲波能量大量透射進入海底和海面上方空氣中，在海水中的能量會迅速衰減；另外，由于聲波在淺海波導中傳播時存在截止頻率，導致聲源的低頻成分無法在海水中進行無衰減傳播。因此，在信號接收過程中必須要考慮到耦合進入海底的這部分能量，即艦船地震波。由艦船引發的海底地震波信號可以作為在特殊環境下水聲信號的有力補充，以此來更全面地獲得水下聲場信息，并以此分析目標特性。

海洋地震波種類及特性

我們知道，海洋環境下存在著不同的地震波源，海洋地震波主要包括有海底微地震、艦船地震波以及風浪海流導致的地震波。不同波源引發的地震波特性是不相同的，其中海底微地震所引發的脈沖持續時間短、幅值大，頻帶集中在0.1～50Hz；風浪海流導致的地震波雖然持續時間長，但隨機性強、幅值小，頻率基本都在1Hz以下；艦船地震波信號是艦船輻射噪聲耦合進入海底介質在海底和海水分界面上的二次傳播，是通過海底切變波效應耦合到海底沉積層表面所產生的地震界面波。其最突出的特點是振動連續，沒有確定的初至時間，并且隨著艦船航行距離的變化而產生弱-強-弱的變化，頻帶主要集中在1～100Hz。圖1為在某漁船航行過程中海底地震儀的實測數據，受到不同地震波源的共同作用，我們明顯可以觀察到其中1～50Hz的信號幅值較大。

由以上特性分析可知，若要提高接收艦船地震波的信噪比和分辨率，抑制低頻環境噪聲干擾和提升1～50Hz艦船地震波的分離提取能力是首要考慮的問題。

界面波分析

在地震波動力學中，兩個半無限彈性介質的分界面上可以形成一種面波，它沿著分界面方向傳播，其振幅在垂直分界面的方向上按指數規律隨著離開分界面距離的增加而衰減。這樣的面波稱為斯通利波（Stoneley）波。有資料表明，在海底附近，沿海水層與海底沉積層之間的分界面上存在著這種海底波。這種界面波由P型和SV型兩種振動形式合成。

求解坐標如圖2所示。

波的位移函數表達式：

圖1　實測艦船地震波數據（時域，頻域）

圖2　界面波求解坐標

將（1）帶入（2）可得：

則方程（3）的解為：

結合已知的邊界條件，|z|趨近于無窮時波振幅項為零，則有z＞0時取第二項，z＜0時取第一項。假設為斯通利波傳播速度，為斯通利波波數。已知的邊界條件為：界面處位移連續和界面處應力

用位移函數表示位移和應力分量，有

經過推導得到如下方程組：

方程組有非零解的充分必要條件是方程系數矩陣的行列式為零，最終可以得到一個關于斯通利波的波速的四次方程。由相關文獻可知，當兩種介質一種是流體時，方程組總有合理的解，即得出在海水與海底介質界面處的斯通利波總是存在的。由方程可知，斯通利波波速與頻率無關，即在沿x軸傳播過程中不會發生頻散現象，這種特性為艦船地震波的探測提供了穩定的信號。

探測傳感器的選擇

艦船地震波信號主要是艦船輻射噪聲耦合到海底所產生的沿著海底界面傳播的表面波屬于低頻微弱振動，具有一般地震波的特點。但不同于陸地，海底地震波檢測要更多考慮傳感器與海底介質的耦合問題。

由于矢量傳感器技術日益成熟，目前為止，檢測艦船地震波信號經常使用矢量速度傳感器和矢量加速度傳感器。矢量速度傳感器是目前檢測艦船地震波信號過程中最常用的傳感器，其輸出信號為脈沖信號，穩定性較好，成本低，性能穩定可靠。然而因為其自身特性，工作頻帶較窄，一般在10～100Hz，對于10Hz以下的低頻很難分辨。矢量加速度傳感器有著和速度傳感器一樣的優點，但與其不同的是，矢量加速度傳感器的帶寬較寬，既能分辨出10Hz以下的低頻信號，又能兼顧到較高頻段信號使其不失真。因此，矢量加速度傳感器更加適宜在艦船地震波檢測中被采用，應該得到更多的關注。本文在仿真過程中也重點關注了信號的加速度信息。

仿真結果及分析

使用Comsol軟件仿真，假設海水-海底雙層模型，其中水深80m，海底介質深度5m。聲源在海面下5m處，輻射聲波選擇球面波。假設界面處坐標z=5m。在不同頻率下，觀察界面之下（3m），界面臨界處（5m），以及界面之上（10m）的加速度分布情況。如圖3，圖4，圖5分別是25Hz，50Hz，75Hz頻率下不同水平截面的響應情況以及不同頻率在海域中部加速度垂向的變化情況。

由仿真結果對比可知：

（1）在海水海底界面處加速度出現峰值，到海底介質中迅速衰減，證明了界面波的存在；

（2）在界面層出現了明顯的加速度信號分布，理論上可以使用傳感器直接進行測量；

（3）聲波能量與海底耦合效果與頻率相關，頻率越低，耦合效果越好，信號能量會更集中在海水海底界面處。

圖3　25Hz頻率信號在3m，5m，10m處的加速度分布以及中部加速度垂向變化

圖4　50Hz頻率信號在3m，5m，10m處的加速度分布以及中部加速度垂向變化

圖5　75Hz頻率信號在3m，5m，10m處的加速度分布以及中部加速度垂向變化

結語

本文通過理論論證以及使用Comsol軟件模擬海水海底界面對聲源的響應，證明了艦船引發地震波的存在，并對得到的加速度信息進行了簡要分析。結果顯示，在低頻段，信號與海底海水界面有著良好的耦合響應，這對今后的實際測量的傳感器頻段選擇，以及海底地震儀的布放都有著一定的參考意義。實際海洋情況要遠比仿真中雙層結構復雜，海底介質的多樣性，海水中也存在氣泡、生物以及風浪海流的影響。對于仿真結果，有待于進一步實驗驗證。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.028