爆炸聲源投放間隔對會聚區聲傳播損失測量的影響

李國富，劉 頡，齊占峰，張 爽，彭家忠，李 琦

(國家海洋技術中心，天津300112)

0 引 言

在水聲調查試驗中，聲傳播損失測量是一項非常重要的作業內容。目前用于海洋聲傳播損失測量的聲源主要有爆炸聲源和可控聲源兩類。爆炸聲源包括手榴彈、聲彈、氣槍、燈泡等。可控聲源包括拖曳聲源、吊放聲源、潛標聲源等。由于爆炸聲源能夠產生寬頻帶的脈沖信號，一次發聲過程便可獲得幾百乃至幾千赫茲帶寬內的傳播損失，因而是當前海洋聲學調查中最常見的發射聲源[1]。在測量過程中，按照一定距離間隔投放爆炸聲源，并在設定深度上起爆，發出氣泡脈沖，利用事先布放的水聽器陣列接收經過海洋聲信道的聲傳播信號，最終通過回放分析接收數據，得到聲傳播損失。

在深海中，會聚區現象是特有的聲傳播特征，更是深海水聲調查的重要研究內容。會聚區傳播的重要性在于它能夠高強度、低失真地遠距離傳播聲信號。利用會聚區效應，可實現對水中目標的遠程探測以及水下裝備的遠距離通信等[2]。會聚區距離、寬度、增益等特征的精細測量在水聲設備研制和水下對抗等方面具有重大的研究意義。在爆炸聲源的諸多參數之中，與會聚區聲傳播損失特征測量的精細程度最直接相關的是爆炸聲源的投放間隔，理論上較小的投放間隔可獲得更精細的會聚區特征。然而實際海上作業的可操作性、成本等因素限制了爆炸聲源的密集投放。過大的投放間隔則可能會導致測量數據過于稀疏化而不能完整刻畫聚區聲傳播損失的結構。對于這一問題，在實際海上調查作業中已有許多實踐經驗，但系統的分析研究還未見報道。本文基于 Argo資料計算了西太平洋某海域典型深海聲速剖面，并應用水聲學數值模型結合實驗數據分析了爆炸聲源投放間隔對會聚區聲傳播損失測量的影響，最后結合實際海上作業要求，給出了爆炸聲源投放間隔的設計原則。

1 聲傳播損失定義與計算

聲傳播損失定量地描述了聲波在海洋中傳播一定距離后聲強度的衰減情況，它定義為

式中：I1、Ir分別是距離聲源的聲學中心1 m處和r處的聲強；對于瞬態信號以及在傳播中或在遇到目標后信號有嚴重失真的情況，用聲波的能流密度E表示聲傳播損失更有意義，其定義為

其中：p(t)是聲壓；u(t)是質點振速。對應的聲傳播損失為

其中：E1是位于距離聲源聲學中心1 m處的聲能流密度，Er是距離聲源聲學中心r處的聲能流密度。

對于利用水聽器陣列獲取的實測數據，選取從聲源發出經過所有途徑到達接收點的聲傳播信號離散時間序列，不同距離處的聲傳播損失為[3-4]

式中：f0為中心頻率；r為接收水聽器與爆炸聲源的水平距離；為以f0為中心頻率的單位帶寬內的聲能流密度；Mv為水聽器的電壓靈敏度；G為接收系統的放大增益；LS(f0)為聲源級。

2 環境數據來源及聲場計算方法

本研究所用的Argo資料是由中國Argo實時資料中心提供的全球海洋 Argo網格數據集，時間范圍2004年1月～2017年12月，采樣數據主要包括水溫、鹽度和壓力，空間分辨率為 1°×1°，剖面測量范圍 0～2 000 m，垂直層數58層。該網格數據集是中國Argo實時資料中心在各國Argo資料中心的實時和部分延時質量控制的基礎上，利用逐步訂正法，并結合混合層模型構建完成的全球海洋三維網格溫、鹽度資料集[5]。

本文選取西太平洋130.5°E、20.5°N附近海域，該位置水深大約為5 950 m(根據ETOPO1數據)，有較大深度余量，利于產生聲場會聚現象。考慮到Argo剖面數據的最大取樣深度為2 000 m，因此無法提供深海部分的聲速剖面，因而不能直接用于深海聲傳播的計算。針對這個問題，2 000 m以深部分，假設溫度、鹽度不變，只是壓力增加，補齊溫度、鹽度剖面數據，最后通過Chen&Millero海水聲速經驗公式獲得全海深的聲速剖面[6-7]。

圖1是利用上述方法計算得到的西太平洋某海域5月份平均聲速剖面，可見該海域的聲速剖面呈現出典型深海 Munk剖面結構特征[8]。因受到春季溫暖陽光照射，近表層表現為季節性躍層條件下的負梯度聲速結構，表面聲速最大值位于海面附近，為1 543 m·s-1。深海內部，水溫低且穩定，形成深海等溫層，聲速隨海洋深度增加呈現正梯度變化，近海底聲速達到最大1 559 m·s-1，深度余量達950 m。位于深海等溫層和主躍變層中間的聲道軸在1 000 m深度，其聲速為1 482 m·s-1。

圖1 西太平洋某海域5月份平均聲速剖面Fig.1 Average sound speed profile in May in a certain area of Western Pacific Ocean

將以上聲速剖面輸入與距離有關聲學模型(Range-dependent Acoustic Model, RAM)[9]中，對該區域的聲傳播損失進行計算。RAM 基于分裂步進帕德近似，可允許較大的水平步進距離，計算速度快，對環境適應能力強，特別是在處理大多數海洋環境中存在的低頻遠距離聲傳播衰減問題時比較準確。聲場計算過程中的主要參數設置如下：聲源頻率f為200、800 Hz，聲源深度DS為50、100、300 m，接收深度DR為300 m，爆炸聲源投放間隔d為0.5、1、2 km，海底深度H為 5 950 m，海底聲速cb為1 600 m·s-1，海底密度ρb為1.5 g·cm-3，海底衰減系數αb為 0.5 dB·λ-1。

3 結果與分析

3.1 聲源深度50 m時的聲傳播損失

圖2(a)和2(b)分別給出了聲源深度為50 m、聲源頻率f為200、800 Hz時的全海深聲場。由圖2可見，由于近海面的負梯度聲速結構和較大的深度余量，除海底反射能量之外，一部分聲波在水中反轉形成會聚區聲場。在水平距離小于140 km范圍內，具有兩個明顯的深海會聚區：第一會聚區的中心距離在62.5 km左右，第二會聚區的中心距離在125 km左右。圖2(a)中，當聲源頻率f=200 Hz時，小角度反轉聲線的干涉使得第一、第二會聚區的左側分支分為兩個聲束。圖2(b)中，當聲源頻率f=800 Hz時，第一會聚區左右兩側分支因不同反轉聲線之間的干涉形成多個間隔較近的聲束，而第二會聚區左右兩側分支不同聲束之間的間隔則稍遠。

圖2 聲源位于50 m深度時的聲場Fig.2 Acoustic fields of a sound source at the depth of 50 m

圖3 不同爆炸聲源投放間隔下的聲傳播損失(DS=50 m，DR=300 m)Fig.3 Transmission losses for different release intervals of the explosive sound source at the depth of 50 m， and the receiver is at the depth of 300 m

為比較爆炸聲源投放間隔對聲傳播損失測量的具體影響，圖3給出了聲源深度DS=50 m，接收深度DR=300 m時，投放間隔d=0.5、1、2 km 3種情況下的聲傳播損失。圖3中，第一會聚區與聲源的距離為 58～67 km，第二會聚區的范圍在 120～131 km，會聚區寬度僅為10 km左右。由圖3(a)中可見，當聲源頻率f=200 Hz時，3種投放間隔下的聲傳播損失曲線都能夠刻畫出對應于第一、第二會聚區左右兩側分支的“雙峰”特征，但是只有投放間隔d=0.5 km能夠測量到第一會聚區左側分支的兩個峰值結構。當聲源頻率f=800 Hz時，如圖3(b)所示，投放間隔d=0.5 km和d=1 km均能捕捉到對應于第一會聚區左右分支的“雙峰”特征，而當投放間隔d=2 km時測量到的對應于右側分支的第二個峰值不明顯。對于圖3(a)和3(b)中的第二會聚區，當投放間隔d=0.5 km時，可清晰地看出在對應左右兩側分支的“雙峰”結構上存在著許多細小的峰值。隨著投放間隔的繼續增大，除測得的會聚區位置、寬度基本一致之外，這些細小峰值的精細程度明顯依次下降。

3.2 聲源深度100 m時的聲傳播損失

圖4為聲源深度DS=100 m，聲源頻率f為200 、800 Hz下的全海深聲場。與圖2的聲場結構相似，圖 4中的聲場結構也呈現出明顯的深海會聚區特征，第一會聚區的中心距離約在62 km處，第二會聚區的中心距離約在 124 km處。與聲源深度DS=50 m時聲場的不同之處在于：隨著聲源深度的增大，聲源深度處的聲速值減小，更多小掠射角出射的聲線在水中反轉并在會聚區位置干涉，導致會聚區寬度增大。特別地，當聲源頻率f=200 Hz時，與圖2(a)相比，第二會聚區的左側分支形成更多的離散聲束。

圖4 聲源位于100 m深度的聲場Fig.4 Acoustic fields of a sound source at the depth of 100 m

圖5 不同爆炸聲源投放間隔下的聲傳播損失(DS=100 m，DR=300 m)Fig.5 Transmission losses for different release intervals of the explosive sound source at the depth of 100 m， and the receiver is at the depth of 300 m

圖5比較了聲源深度DS=100 m，接收深度DR=300 m時，投放間隔d=0.5、1、2 km 3種情況下的聲傳播損失。圖5中，第一會聚區距離的變化范圍在 56～68 km，第二會聚區離聲源的水平距離在116～130 km。由圖5(a)可見，當聲源頻率f=200 Hz時，投放間隔d=0.5 km能夠測量到與第一會聚區左側分支離散聲束相對應的多個峰值結構，投放間隔d=1 km和2 km僅能刻畫出第一會聚區左側分支中最明顯的兩個峰值，投放間隔d=2 km獲得的第一會聚區右側分支峰值的增益明顯變低，增益衰減值達7.5 dB。在第二會聚區，d=0.5 km投放間隔可以捕捉到許多細小的峰值結構，而d=1 km和d=2 km投放間隔僅能測量到 3個主要的峰值。當聲源頻率f=800 Hz時，如圖5(b)所示，投放間隔d=0.5 km和d=1 km能刻畫出第一、第二會聚區3個主要的峰值結構，而投放間隔d=2 km時則只能測到一兩個峰值。

3.2 聲源深度300 m時的聲傳播損失

圖6為聲源深度DS=300 m，聲源頻率f=200、800 Hz下的全海深聲場。與圖2、圖4所示聲源深度DS=50 m和DS=100 m時的會聚區聲場相比，具有明顯不同的特征：首先會聚區距離顯著縮短，第一會聚區的中心距離在58 km左右，第二會聚區的中心距離在 117 km左右；其次隨著聲源深度繼續增大，在負梯度聲速條件下，聲源深度處的聲速值減小，更大角度的聲線得以在水中反轉，導致會聚區左右兩側分支在近海面附近重疊在一起，會聚區的寬度大幅度展寬。

圖6 聲源位于300 m深度的聲場Fig.6 Acoustic fields of a sound source at the depth of 300 m

圖7 不同爆炸聲源投放間隔下的聲傳播損失(DS=300 m，DR=300 m)Fig.7 Transmission losses for different release intervals of the explosive sound source at the depth of 300 m， and the receiver is at the depth of 300 m

圖7為DS=300 m，DR=300 m時，投放間隔d=0.5、1、2 km 3種情況下的聲傳播損失。圖7中，第一、第二會聚區的寬度分別達到 17、20 km。與圖3、圖5相似，隨著投放間隔的增大，所獲得的會聚區峰值結構越來越粗糙。但同時應注意到，聲源處于較大的深度時，3種投放間隔所測得的會聚區位置、寬度、增益基本相同。

最后，為進一步分析投放間隔對會聚區聲傳播損失測量的實際影響，對某次聲傳播損失調查獲得的實驗數據進行了分析，如圖 8所示。聲源深度DS=200 m，接收深度DR=300 m。從圖8(a)可以看到，當聲源頻率f=200 Hz時，聲源投放間隔d=1 km 和d=2 km所刻畫的 60 km附近的第一會聚區聲傳播損失結構，除峰值增益略有差別之外，總體上基本一致，但 120 km附近第二會聚區的雙峰結構有明顯不同，兩種投放間隔下雙峰之間的低谷深度差異約2 dB。另外，從圖8(b)可以看出，在這次實驗中，當聲源頻率f=800 Hz時，聲源投放間隔d=1 km和d=2 km所獲取的聲傳播損失曲線結構基本相同。

圖8 不同投放間隔下的聲傳播損失實驗數據(DS=200 m，DR=300 m)Fig.8 The measured transmission losses for different release intervals of the explosive sound source at the depth of 300 m and the receiver is at the depth of 300 m

4 結 論

本文基于2004～2017年的Argo浮標資料，選取西太平洋某海域典型深海聲速剖面，利用 RAM計算了不同聲源深度和頻率下的聲場，并結合某次聲傳播損失實測數據，分析了3種爆炸聲源投放間隔下獲得的會聚區聲傳播損失，得到如下結論：(1)不同的聲源深度和頻率時，3種投放間隔測量到的會聚區位置、寬度基本一致，而會聚區增益受投放間隔的影響較大。(2) 投放間隔d=0.5 km能很好地刻畫出會聚區聲場結構的細節特征；投放間隔d=1 km基本滿足對會聚區聲傳播損失精細測量的要求；投放間隔d=2 km能測量到會聚區的大致結構，但精細程度不足，可能會對會聚區峰值結構漏測或獲得不精確的會聚區增益。(3) 當聲源深度較深時，較大的投放間隔(d=2 km)也可獲得較好的會聚區增益和聲傳播損失峰值結構。

基于以上結論，采用d=0.5 km甚至更小的投放間隔對于會聚區結構的精細測量最為有利。但鑒于實際海上作業經費、船時、操作方便程度、聲源延爆時間等因素的限制，在聲傳播測線上全程使用d=0.5 km投放間隔的可行性不高。同時考慮到投放間隔d= 1 km可以基本滿足會聚區精細測量的要求，因此建議爆炸聲源投放間隔采用如下設計方案：對深海會聚區聲傳播損失開展精細測量時，在已有海洋環境或聲學數據的情況下，對會聚區距離和寬度的大致范圍進行預先估計，采用會聚區d=0.5 km投放間隔、影區d=1 km投放間隔的會聚區加密投放方式；在未知海域采用全測線d=1 km的投放間隔，兼顧會聚區空間采樣間隔和實際調查條件。而對于以了解會聚區大致結構為目標的一般聲傳播損失調查，特別是當聲源深度較大時，可以采用全測線d=2 km的投放間隔獲得會聚區位置、寬度、增益等參數的基本情況。