Scholte波識(shí)別水池縮比實(shí)驗(yàn)

李東林 梁民帥 王志超

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋技術(shù)系 青島 266100)

0 引言

在彈性體介質(zhì)中存在相互獨(dú)立傳播的縱波和橫波，然而在介質(zhì)分界面處，兩種波會(huì)相互作用形成沿著界面?zhèn)鞑サ谋砻娌╗1]。Scholte 波是一種存在于“液體-固體”界面處的表面波[2]，在海洋環(huán)境中，海底界面處的表面波就是Scholte 波。Scholte 波在傳播過(guò)程中會(huì)攜帶海底介質(zhì)信息，且其傳播距離遠(yuǎn)、傳播損失小[3]，因此對(duì)Scholte 波的識(shí)別進(jìn)行研究，對(duì)于海底探測(cè)具有重要的意義，可望應(yīng)用于水下目標(biāo)識(shí)別。

目前，Scholte 探測(cè)主要通過(guò)海底地震儀(Ocean-bottom seismometers,OBS)獲取海底界面處的信號(hào)[3-6]。1980 年，Rauch[3]總結(jié)推導(dǎo)了上層為半無(wú)限流體介質(zhì)下層為半無(wú)限彈性體介質(zhì)中的Scholte 波特性，并在淺海進(jìn)行了甚低頻傳播實(shí)驗(yàn)，利用OBS 觀測(cè)到傳播速度慢、能量高的地震界面波，并通過(guò)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)將其確定為Scholte波，在時(shí)域信號(hào)中直接識(shí)別了Scholte 波。1981 年，McMechan 等[7]通過(guò)頻域波數(shù)變換的方法提取出Scholte 波的相速度頻散曲線，提出通過(guò)域變換的方法來(lái)識(shí)別Scholte 波。無(wú)論是時(shí)域上直接識(shí)別Scholte 波還是通過(guò)域變換識(shí)別Scholte 波，兩種方法都需要在Scholte波與水中聲波速度差別較大、空間尺度足夠大的情況下才可以有效識(shí)別到Scholte波。本文在實(shí)驗(yàn)室縮比水池條件下進(jìn)行Scholte 波的識(shí)別，水池環(huán)境的空間尺度小且基底較硬Scholte波聲速接近水中聲速，上述方法無(wú)法識(shí)別到Scholte波。文獻(xiàn)[8]提出了簡(jiǎn)正波分離識(shí)別Scholte 波的方法用于水池實(shí)驗(yàn)識(shí)別Scholte 波。本文根據(jù)其理論基礎(chǔ)，對(duì)文獻(xiàn)[8]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，改善實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及數(shù)據(jù)處理方法，使簡(jiǎn)正波分離識(shí)別Scholte波的方法更加完善。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 簡(jiǎn)正波分離

根據(jù)簡(jiǎn)正波理論[9]，水平分層的聲場(chǎng)可以表示為各號(hào)簡(jiǎn)正波的疊加，如式(1)所示：

其中，0 號(hào)簡(jiǎn)正波為Scholte 波，Scholte 波是簡(jiǎn)正波中的一種模式；Ψm(z)為簡(jiǎn)正波的模態(tài)函數(shù)即簡(jiǎn)正波的模態(tài)形狀；Φm(r)是第m號(hào)簡(jiǎn)正波的模態(tài)幅度系數(shù)，其大小用來(lái)表征該號(hào)簡(jiǎn)正波在隨傳播距離變化的強(qiáng)弱，其滿(mǎn)足如下的關(guān)系：

這里zs為聲源深度，krm為簡(jiǎn)正波的水平波數(shù)為第一類(lèi)階漢克爾函數(shù)，m為階數(shù)。

在聲場(chǎng)中，各號(hào)簡(jiǎn)正波具有正交歸一性，如式(3)～(4)所示：

通過(guò)垂直陣對(duì)聲場(chǎng)采樣，并與各號(hào)簡(jiǎn)正波的模態(tài)相乘后做積分即可得到當(dāng)前接收距離下各號(hào)簡(jiǎn)正波的模態(tài)幅度系數(shù)Φm(r)，如式(5)所示：

根據(jù)式(2)，簡(jiǎn)正波的模態(tài)幅度系數(shù)與聲源深度以及傳播距離有關(guān)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變聲源深度獲得不同聲源深度時(shí)，第0 階簡(jiǎn)正波的模態(tài)幅度系數(shù)Φ0(r)隨聲源深度的變化關(guān)系并與理論值做比較，可以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測(cè)得了Scholte波。

2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水池環(huán)境

根據(jù)Hamilton 對(duì)海洋環(huán)境不同分層結(jié)構(gòu)的地聲參數(shù)以及地質(zhì)的調(diào)查結(jié)果[10]，本文建立“海水-玄武巖-橄欖巖基底”的3 層水平分層的實(shí)際海洋環(huán)境模型，如圖1所示。各層的參數(shù)如表1 所示。

表1 海洋環(huán)境參數(shù)Table 1 Marine environmental parameters

圖1 3 層海洋環(huán)境模型Fig.1 Three layers marine environment model

根據(jù)縮比原理，實(shí)驗(yàn)中若將聲源頻率增大n倍，環(huán)境中的所有幾何參數(shù)都同時(shí)同比例縮小n倍。同時(shí)，各層的聲學(xué)參數(shù)保持不變的話，兩個(gè)聲場(chǎng)即可近似為一樣的。

通過(guò)對(duì)比各種材料的橫波聲速、縱波聲速等參數(shù)，水池環(huán)境中選擇銅板代替玄武巖，選擇鐵板代替橄欖巖作為基底。水池各介質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表2 水池環(huán)境參數(shù)Table 2 Pool environmental parameters

水池實(shí)驗(yàn)環(huán)境按1 : 5000 的比例進(jìn)行縮比，其中0.6 m水深對(duì)應(yīng)3000 m的海水深度，0.02 m 銅板對(duì)應(yīng)100 m 的玄武巖層，0.02 m 的鐵板對(duì)應(yīng)半無(wú)限的橄欖巖基底。50 kHz 的聲源對(duì)應(yīng)了實(shí)際環(huán)境中的10 Hz 的聲源。由于實(shí)際水池環(huán)境無(wú)法做到半無(wú)限大的鐵板，在水池環(huán)境中鐵板下面鋪放了一層沙子底。經(jīng)過(guò)聲場(chǎng)仿真，當(dāng)聲源頻率為50 kHz 時(shí)，“水-銅板-鐵板”的3 層模型與實(shí)際水池“ 水-銅板-鐵板-沙子”的4 層模型聲場(chǎng)接近，即可以用0.02 m 的鐵板近似為半無(wú)限的基底層，圖2 為水池的剖面示意圖。

圖2 水池剖面圖Fig.2 Pool profile

通過(guò)KRAKENC 聲場(chǎng)仿真軟件可以計(jì)算出水池環(huán)境下的前5階簡(jiǎn)正波模態(tài)，如圖3所示。

圖3 水池環(huán)境的前5 階簡(jiǎn)正波模態(tài)Fig.3 The first 5 normal wave modes of the pool environment

圖3 中縱軸為水池深度，橫軸為模態(tài)的歸一化幅值。其中，0 階模態(tài)就是Scholte波的模態(tài)，1～4 階模態(tài)為在水中正常傳播的簡(jiǎn)正波模態(tài)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

文獻(xiàn)[8]利用簡(jiǎn)正波分離識(shí)別Scholte 波的方法，在縮比水池實(shí)驗(yàn)中測(cè)得了Scholte波。其利用合成孔徑組成58 陣元的垂直陣對(duì)水深60 cm 的水池環(huán)境進(jìn)行全水深的信號(hào)采集。改變聲源深度15 cm、25 cm、35 cm、45 cm、50 cm 和55 cm，利用簡(jiǎn)正波分解獲取Scholte 波模態(tài)系數(shù)隨聲源深度的變化以及改變垂直陣的接收距離15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、50 cm、70 cm、90 cm 獲取Scholte 波模態(tài)系數(shù)隨傳播接收距離的變化，通過(guò)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值對(duì)比，證明實(shí)驗(yàn)測(cè)得了Scholte波。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 水池實(shí)驗(yàn)Scholte 波模態(tài)系數(shù)隨傳播距離以及聲源深度的變化Fig.4 Variation of Scholte wave modal amplitude coefficient with sound source depth in pool experiment

圖4(a)為Scholte 波模態(tài)系數(shù)隨傳播距離的變化，紅色柱狀圖為Scholte 波模態(tài)系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，紅色曲線為仿真結(jié)果；圖4(b)為Scholte 波模態(tài)系數(shù)隨聲源深度的變化，紅色曲線是Scholte波模態(tài)系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，藍(lán)色曲線為數(shù)值結(jié)算結(jié)果。根據(jù)圖4(b)中顯示的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)值的總體趨勢(shì)與理論值相同，當(dāng)聲源深度較深、Scholte 波激發(fā)較強(qiáng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與理論值較為接近，但當(dāng)聲源深度較淺時(shí)，存在著較大的誤差。文獻(xiàn)[8]中提出該誤差可能是因?yàn)榇怪狈较虿蓸狱c(diǎn)數(shù)不足，并給出了仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同采樣點(diǎn)Scholte 波模態(tài)系數(shù)隨聲源深度變化仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of Scholte wave model coefficients varying with sound source depth at different sampling points

圖5 橫軸為聲源深度，縱軸為Scholte 波的模態(tài)系數(shù)，121 采樣點(diǎn)為從水深0 cm (水面)開(kāi)始，每0.5 cm采樣一次，到60 cm(海底界面處)為止。從仿真結(jié)果中可以看出58 采樣點(diǎn)結(jié)果在聲源深度較淺時(shí)誤差較大，而121 采樣點(diǎn)的結(jié)果有效改善了這一現(xiàn)象，仿真結(jié)果與理論值較為吻合。本文將針對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析，提出誤差產(chǎn)生的原因，并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度。

簡(jiǎn)正波分離提取Scholte 波的方法是通過(guò)簡(jiǎn)正波的正交歸一性來(lái)提取對(duì)應(yīng)的模態(tài)幅度系數(shù)，其誤差可能因?yàn)榇怪狈较蛏系碾x散采樣點(diǎn)數(shù)不夠?qū)е潞?jiǎn)正波的正交歸一性變差，從而導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。對(duì)比1 cm間隔采樣與0.5 cm間隔采樣Scholte波的正交性，考慮到實(shí)際實(shí)驗(yàn)水聽(tīng)器的尺寸，1 cm 間隔采樣從深度1 cm 處開(kāi)始采樣，每1 cm 采樣一次，到深度59 cm 為止，共59 采樣點(diǎn)。0.5 cm 間隔采樣從深度0.5 cm 處開(kāi)始采樣，每0.5 cm 采樣一次，到深度59.5 cm為止，共119采樣點(diǎn)。通過(guò)圖6來(lái)觀察119采樣點(diǎn)和59采樣點(diǎn)Scholte波的正交歸一性，其中0號(hào)為Scholte 波的歸一結(jié)果，其他號(hào)為Scholte 波與對(duì)應(yīng)號(hào)數(shù)的簡(jiǎn)正波正交的結(jié)果。從圖6中可以看出，增加采樣點(diǎn)數(shù)Scholte波的正交歸一性得到了改善。

圖6 不同采樣點(diǎn)Scholte 波正交歸一對(duì)比Fig.6 Comparison of orthogonal normalization of Scholte waves at different sampling points

因?yàn)镾cholte 波是界面波，其在界面處幅值最大，Scholte 波在海底也會(huì)存有部分能量，導(dǎo)致只接收水中的信號(hào)時(shí)，其正交歸一性不是很好，但其他號(hào)簡(jiǎn)正波為在水中傳播的簡(jiǎn)正波，水中聲場(chǎng)里其他號(hào)簡(jiǎn)正波的正交歸一性都較好，通過(guò)KRAKENC計(jì)算水池環(huán)境中，119 采樣點(diǎn)前20 號(hào)簡(jiǎn)正波的正交歸一性對(duì)比，如圖7所示。

圖7 各號(hào)簡(jiǎn)正波正交歸一性對(duì)比Fig.7 Comparison of orthogonal normalization of normal waves

在實(shí)驗(yàn)所取的119 采樣點(diǎn)下，除Scholte 波外，其他號(hào)簡(jiǎn)正波的正交歸一性都很好，因此本文采用優(yōu)先從聲場(chǎng)中提取出其他號(hào)簡(jiǎn)正波，最后提取Scholte波模態(tài)幅度的方法來(lái)降低實(shí)驗(yàn)的誤差，提高實(shí)驗(yàn)的精度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)水池的水溫測(cè)量，根據(jù)純水聲速的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算當(dāng)前實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的水聲聲速是1485 m/s。聲源為球形換能器，50 kHz 時(shí)聲源級(jí)大約為140 dB。聲源深度設(shè)定為距離水面0.1～0.55 m 的10 個(gè)點(diǎn)位，深度間隔為0.05 m。通過(guò)行車(chē)系統(tǒng)的標(biāo)尺來(lái)確定聲源的位置。每次聲源深度調(diào)整后，在固定的水平傳播距離處，使用兩個(gè)相距29.5 cm 的水聽(tīng)器接收信號(hào)。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制水聽(tīng)器垂直移動(dòng)，深度從0.5 cm 到59.5 cm，每0.5 cm 進(jìn)行信號(hào)采集，通過(guò)合成孔徑方法組成119 陣元的垂直陣，完成119 陣元一次采樣時(shí)間約為40 min，在此期間池水環(huán)境保持時(shí)不變，首末陣元接收信號(hào)具有相關(guān)性。使用10 個(gè)周期的正弦脈沖信號(hào)，信號(hào)發(fā)射周期為1 s，采樣頻率為1000 kHz，采樣周期為1 s，聲源頻率使用50 kHz。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖Fig.8 Schematic diagram of experimental process

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了接收距離為0.6 m 和1.2 m 的兩組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)接收到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，獲取通過(guò)垂直陣測(cè)量得到的對(duì)應(yīng)聲源深度以及接收距離的聲壓矩陣p(r,z)，實(shí)驗(yàn)中聲源深度為55 cm時(shí)，不同深度水聽(tīng)器接收到的時(shí)域信號(hào)以及時(shí)頻分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 水聽(tīng)器時(shí)域信號(hào)與時(shí)頻分析Fig.9 Time domain signal and time-frequency analysis of hydrophone

圖9(a)為0.5 cm、20 cm、40 cm 以及59.5 cm深度的水聽(tīng)器接收到的時(shí)域信號(hào)以及監(jiān)測(cè)信號(hào)，橫軸為時(shí)間，縱軸為時(shí)域信號(hào)的幅值，藍(lán)色曲線為聲源發(fā)射信號(hào)的監(jiān)聽(tīng)信號(hào)，紅色曲線為水聽(tīng)器接收到的時(shí)域信號(hào)。圖9(b)為0.5 cm、20 cm、40 cm 以及59.5 cm深度水聽(tīng)器時(shí)域信號(hào)的時(shí)頻分析。從圖9中可以看出，水聽(tīng)器接收到的時(shí)域信號(hào)無(wú)法直接分離出Scholte波，時(shí)頻譜中也無(wú)法分辨。因此本文采用簡(jiǎn)正波分解的方法來(lái)進(jìn)行處理，首先通過(guò)監(jiān)聽(tīng)信號(hào)與水聽(tīng)器信號(hào)做相關(guān)處理，可以獲取不同位置水聽(tīng)器之間的時(shí)延信息，組成119采樣點(diǎn)數(shù)的垂直陣。分別取119 個(gè)采樣點(diǎn)與59 個(gè)采樣點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行處理，得到Scholte 波模態(tài)幅度系數(shù)Φ0(r)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理后與理論值進(jìn)行比較。比較兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)59采樣點(diǎn)與119采樣點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同采樣點(diǎn)Scholte 波模態(tài)系數(shù)結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of Scholte wave modal coefficients at different sampling points

圖10 中紅色曲線為119 個(gè)采樣點(diǎn)并通過(guò)優(yōu)先提取其他號(hào)簡(jiǎn)正波的處理方法得到的Scholte 波模態(tài)幅度系數(shù)隨聲源深度變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，藍(lán)色曲線為59 采樣點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖10(a)是垂直陣與聲源水平距離為0.6 m 的結(jié)果，圖10(b)是垂直陣與聲源水平距離為聲源1.2 m 的結(jié)果。兩個(gè)不同接收距離的結(jié)果均與理論值吻合，證明實(shí)驗(yàn)測(cè)得了Scholte波。對(duì)比兩個(gè)不同接收距離的結(jié)果，采用119 采樣點(diǎn)且優(yōu)先提取其他號(hào)簡(jiǎn)正波的實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯與理論值更加接近，誤差更小。通過(guò)增加采樣點(diǎn)數(shù)以及優(yōu)先提取其他號(hào)簡(jiǎn)正波的方法，有效改善了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近理論值。

4 結(jié)論

在本文水池縮比實(shí)驗(yàn)中，對(duì)水平距離0.6 m 以及1.2 m 處合成孔徑垂直陣接收信號(hào)，采用簡(jiǎn)正波分類(lèi)方法提取了Scholte 波。通過(guò)對(duì)不同數(shù)目采樣點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行比較，水平接收距離0.6 m和1.2 m的兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，優(yōu)先從聲場(chǎng)中提取出其他號(hào)簡(jiǎn)正波的方法，并增加合成孔徑垂直陣采樣點(diǎn)數(shù)，對(duì)簡(jiǎn)正波分離提取Scholte 波的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的改善作用，降低了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值之間的誤差，與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值更為接近，使水池縮比實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)正波分離識(shí)別Scholte 波的方法更加可靠。