近海面水層中聲傳播損失估計和分析

范威，李頌文

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近海面水層中聲傳播損失估計和分析

范威1,2，李頌文1,2

(1. 水聲對抗技術(shù)重點實驗室，上海201108；2. 上海船舶電子設(shè)備研究所，上海201108)

近海面水層通常存在聲速梯度變化，并隨著季節(jié)的更替而改變。根據(jù)南海典型中等深度海在春季、夏季、秋季和冬季的聲速剖面，分析近海面水層中12 km水平距離內(nèi)聲傳播損失的空間分布和頻率變化規(guī)律。結(jié)果表明：春、夏兩季由于負(fù)梯度聲影區(qū)現(xiàn)象，聲傳播損失約在1 km的距離超過80 dB；秋、冬兩季的典型特征是存在表面聲道現(xiàn)象，當(dāng)聲源在近海面混合層內(nèi)部時，混合層中聲傳播損失在截止頻率以上小于球面擴(kuò)展損失，而當(dāng)聲源深度大于混合層深度時，表面聲道現(xiàn)象不明顯。

近海面；聲速剖面；季節(jié)變化；傳播損失

0 引言

發(fā)展與環(huán)境特性相融合的水下目標(biāo)探測技術(shù)是聲吶發(fā)展的趨勢之一。水下目標(biāo)探測是在特定水體環(huán)境中進(jìn)行的，環(huán)境因素制約著聲傳播損失、目標(biāo)散射、混響、噪聲、換能器等諸多聲吶要素，對工作在近海面環(huán)境中的聲吶表現(xiàn)得尤為突出。本文提到的近海面環(huán)境是指靠近海面、水體深度在海面以下幾米到數(shù)十米之間的水層。

傳播損失是聲吶方程中重要的物理量，近海面水層中聲傳播損失與聲速剖面、水體吸收和散射、表層氣泡分布等諸多因素有關(guān)，其中聲速剖面是聲傳播損失的重要影響因素，其它因素可以通過聲速剖面等效表示，如近海面水層氣泡密度一般是隨深度遞減的，使得近海面氣泡層中聲速呈正梯度分布。由于風(fēng)浪、日照等環(huán)境因素的影響，實際海洋中近海面水層聲速剖面通常存在梯度變化，并隨著季節(jié)的更替而改變。在不同季節(jié)，聲傳播損失隨著聲源頻率、聲源和接收器深度、距離的變化規(guī)律也不同。在近海面水層中，聲吶工作頻率和布放的空間位置選擇不當(dāng)時，聲吶作用距離將大幅度降低。

本文考慮聲速剖面隨季節(jié)變化對中等距離條件下近海面水層聲傳播損失的影響，以我國南海典型中等深度海在春季、夏季、秋季和冬季的聲速剖面為例，分析12 km距離內(nèi)近海面水層中聲傳播損失的空間分布和頻率分布隨季節(jié)的變化規(guī)律。

1 典型中等深度海聲速的季節(jié)變化

中等深度海是指深度在深海和淺海之間，具有不完整聲道的海洋，我國南海是典型的中等深度海。中等深度海的聲速剖面隨季節(jié)的變化通常比較明顯，主要體現(xiàn)在混合層的季節(jié)性變化。所謂混合層[1]，指的是風(fēng)浪攪拌和海氣之間的相互作用下近海面水層中產(chǎn)生一定深度的、水溫均勻的水層，在混合層中聲速受壓力的影響呈正梯度結(jié)構(gòu)，從混合層中發(fā)出的聲波向海面方向偏折，經(jīng)海面多次反射形成波導(dǎo)式的傳播，這種類型的聲信道被稱為表面聲道或混合層聲道。混合層聲速剖面隨季節(jié)的更替而呈現(xiàn)周期性的變化，季風(fēng)性氣候是混合層產(chǎn)生周期性變化的重要原因，混合層往往在秋季季風(fēng)轉(zhuǎn)換的過程中開始加深，在冬季發(fā)展到最強(qiáng)，在春季隨著季節(jié)性溫躍層的形成而逐漸消衰，在夏季最弱或消失。

圖1(a)~1(d)分別是深度約2500 m的典型中等深度海在春季、夏季、秋季和冬季的聲速剖面，春季和夏季的聲速剖面由溫度躍變層和深水層組成，而秋季和冬季的聲速剖面最大特征是除溫度躍變層和深水層外還有混合層存在。

圖2(a)~2(d) 分別是典型中等深度海近海面水層(<100 m)在春季、夏季、秋季、冬季的聲速剖面[2]，春季和夏季表層海水升溫，海表的聲速最大，聲速自海表面隨深度的增加而減小，表層100 m水體春季聲速變化量約為12 m/s，而夏季聲速變化量約為20 m/s；秋季和冬季表層附近水層降溫，聲速稍偏低，普遍出現(xiàn)正梯度現(xiàn)象，最大聲速出現(xiàn)在海表面以下的水層，最大聲速所在的深度即為混合層深度，它隨季節(jié)的改變而改變，隨海區(qū)的不同而不同，在圖2(c)中秋季最大聲速對應(yīng)的深度約為30 m，而圖2(d)中冬季最大聲速對應(yīng)的深度約為66 m，即秋季和冬季混合層的深度分別為30 m和66 m。

2 不同季節(jié)近海面水層中傳播損失

本節(jié)以圖1典型中等深度海在春季、夏季、秋季和冬季的聲速剖面為例，分析12 km水平距離內(nèi)近海面水層中聲傳播損失空間分布和頻率分布隨季節(jié)的變化規(guī)律，聲傳播損失采用KRAKEN簡正波傳播聲場模型計算[3]，海底設(shè)為泥沙底質(zhì)。

2.1 近海面水層中聲傳播損失的空間分布

根據(jù)主動或被動聲吶方程[4]，聲傳播損失越小，近海面水層中聲吶的作用距離越大，聲吶在水下布放的空間位置應(yīng)選擇在聲傳播損失小的水深。近海面水層中聲傳播損失不僅與接收的位置有關(guān)，還與季節(jié)性聲速剖面、聲源頻率及聲源深度等因素有關(guān)。圖3(a)~3(d)分別是春季、夏季、秋季和冬季12 km水平距離內(nèi)、近海面水層(<100 m)中聲傳播損失隨接收距離和深度的空間分布，其中聲源的位置固定，位于水下=10 m，聲源的頻率為=3 kHz。

分析圖3可見：(1) 在春季和夏季，近海面水層(<100 m)中聲傳播損失約在1 km的距離上就超過80 dB，聲波隨距離的衰減大，接收點越靠近水面，聲傳播損失越大。若聲吶工作在春、夏季近海面水層，則作用距離將大幅度降低。(2) 秋季和冬季有表面聲道現(xiàn)象，秋季表面聲道中聲波在12 km距離內(nèi)的平均傳播損失約為64dB，而冬季表面聲道內(nèi)的平均傳播損失約為66 dB?；旌蠈由疃仍酱?，則表面聲道的深度越大，冬季表面聲道深度比秋季大。若聲吶工作在秋、冬季近海面混合層，則有利于提高其作用距離。

在秋冬兩季，當(dāng)聲源深度大于近海面混合層深度時，表面聲道現(xiàn)象不明顯。以秋季為例，圖4(a)、4(b)分別是聲源深度=25 m和=45 m兩種情況下，12 km水平距離內(nèi)近海面水層(<100 m)中聲傳播損失隨接收距離和深度的空間分布，聲源的頻率為=3 kHz。分析圖3(c)、圖4(a)和圖4(b)結(jié)果可知，當(dāng)聲源靠近混合層邊緣時(=25 m)，表面聲道弱化，即混合層中聲傳播損失增大，而當(dāng)聲源的深度(=45 m)大于混合層的深度時，表面聲道現(xiàn)象消失。

2.2 近海面水層中聲傳播損失的頻率變化

在近海面環(huán)境中，聲吶工作頻率的選擇依賴于近海面水層中聲傳播損失的頻率特性。圖5是典型中等深度海在春季、夏季、秋季和冬季典型聲速剖面下(圖1)近海面水層中聲傳播損失隨頻率(<3 kHz)的變化曲線，聲源和接收點的水下深度都是10 m，兩者之間的水平距離為5 km。

從圖5可以看出，春季和夏季的聲傳播損失在90 dB以上并遠(yuǎn)大于5 km的球面擴(kuò)展損失(74 dB)，并且隨頻率有極大、極小交替變化。根據(jù)2.1的分析，冬、秋兩季有混合層表面聲道現(xiàn)象，聲傳播損失隨頻率變化的最大特征是有低頻截止頻率，其對應(yīng)的最大波長可以估算為[5]

在工作上，王敏似乎沒有體現(xiàn)出非常官僚的一面。在同事眼里，他對下屬以嚴(yán)厲著稱，不接受下屬的請托事項，不允許搞“烏煙瘴氣”，對工作搞不上去的地方和當(dāng)事人毫不客氣。其上一任秘書戚某跟著他一干就是九年，有三次提拔機(jī)會，但王敏明確表態(tài)不能“特殊照顧”，直到2012年戚某才得以任用。但王敏的另一面卻是嬌縱親屬和子女大肆斂財。因此，形式主義、官僚主義看起來只是作風(fēng)問題，但長期作風(fēng)不正，就容易墮入腐敗的深淵。

比較圖5秋、冬兩季聲傳播損失曲線可以分析：冬季聲傳播損失在602 Hz以下隨頻率減小而增大，而聲傳播損失在602 Hz~3 kHz變化小、平均值為56 dB；秋季聲傳播損失則在1983 Hz以下隨頻率減小而增大，在1983 Hz~3 kHz的傳播損失平均值為61 dB，比冬季602 Hz~3 kHz的平均傳播損失大約高出5 dB。由圖5還可以看出秋、冬兩季混合層聲傳播損失在截止頻率以上變化規(guī)律介于柱面擴(kuò)展和球面擴(kuò)展之間；近海面水層中在冬季時聲吶的工作頻率可選擇范圍寬。

3 結(jié)論

本文以典型中等深度海在春季、夏季、秋季和冬季的聲速剖面為例，分析了近海面水層中聲傳播損失在四季不同聲速剖面類型下的空間分布和頻率變化規(guī)律。近海面水層中春季和夏季聲傳播損失的最大特征為負(fù)梯度聲影區(qū)現(xiàn)象，聲傳播損失約在1 km的距離超過80 dB；秋、冬兩季的典型特征是存在表面聲道現(xiàn)象，當(dāng)聲源在近海面混合層內(nèi)部時，混合層中聲傳播損失在截止頻率以上小于球面擴(kuò)展損失，而當(dāng)聲源深度大于混合層深度時，表面聲道現(xiàn)象不明顯。

在我國南海典型中等深度海近海面水層環(huán)境中，不同季節(jié)的聲傳播損失空間和頻率變化規(guī)律影響著聲吶的作用距離、布放深度和頻率等工作參數(shù)和性能指標(biāo)。當(dāng)近海面存在混合層表面聲道時，接收器布放在混合層內(nèi)部有利于提高聲吶的作用距離，而聲吶的工作頻率須選擇在混合層低頻截止頻率以上，由于冬季的低頻截止頻率小于秋季的情況，聲吶利用表面聲道現(xiàn)象的頻率區(qū)間比秋季寬；當(dāng)不存在混合層或接收器布放深度大于混合層深度時，負(fù)梯度聲影區(qū)起主要作用，接收器深度大于聲源(目標(biāo)或其輻射噪聲)深度時則有利于對目標(biāo)的探測。

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Estimation and analysis of acoustic propagation loss in the water layer near sea surface

FAN Wei1,2, LI Song-wen1,2

(1.Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory, Shanghai201108, China;2.Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute,Shanghai 201108, China)

The sound speed gradient usually varies with seasonal change in the water layer near sea surface. The acoustic propagation losses in the near surface layer are estimated for the different sound velocity profilesin typical mid-depth sea areas ofthe South China Sea in spring, summer, autumn and winter respectively. The characteristics of acoustic propagation losses for different types of sound speed profiles in the spatial and frequency domains are analyzed when the horizontal distance between the source and receiver is within 12km. The results show that, due to the negative gradient phenomenon which results in acoustic shadow zone, the acoustic propagation losses in the spring and the summer reach80dB at the horizontal distance about 1km. While in the autumn and the winter, it is typical that the surface channel phenomenon exists, so the acoustic propagation loss is less than thespherical expansion loss at the frequency above the cutoff frequency when the source is located in the mixed layer near the sea surface. However, the surface channel phenomenon is not obvious when the source depth is greater than that of the mixed layer.

near sea surface; sound velocity profile; seasonal change; propagation loss

TB556

A

1000-3630(2015)-03-0223-05

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.007

2014-07-10;

2014-10-08

范威(1984－), 男, 山東濟(jì)南人, 博士, 工程師, 研究方向為水下小目標(biāo)探測技術(shù)。

范威, E-mail: fanwei1029@126.com