“海底山”地形的水下聲傳播分析

韓引海，江國進，李春風(fēng)

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“海底山”地形的水下聲傳播分析

韓引海，江國進，李春風(fēng)

(91388部隊45分隊，廣東湛江 524022)

在聲傳播測量中，在測線上水深的較大變化，使聲傳播損失發(fā)生顯著的變化。海底山和海底凹陷地形對聲波的傳播有較大影響，使聲傳播損失出現(xiàn)變大和變小的情況，甚至產(chǎn)生較大的聲影區(qū)效應(yīng)，對水聲裝備的研制和使用有重大影響。對一種特殊海底山地形下的聲傳播問題進行分析，并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)對比有無海底山情況下的聲傳播損失，期望對海洋環(huán)境測量和水下武器裝備的研制及應(yīng)用有所啟發(fā)。

海底山；地形；聲傳播

0 引言

聲波在海洋中傳播，就像電磁波在大氣層中傳播一樣，受海水深度、海面風(fēng)力、海水溫度、海水吸收和海底作用等因素的影響，呈現(xiàn)出明顯的地域性和季節(jié)性。聲信號在這種復(fù)雜的海洋信道中傳播時，會產(chǎn)生衰減、頻移和信號展寬等多種現(xiàn)象，使聲信號產(chǎn)生失真、衰減和起伏等變化，引起海洋聲信道的衰落和模糊，導(dǎo)致水下通信、目標探測和識別的性能下降[1]。

水聲環(huán)境的復(fù)雜多變特性，對水聲裝備的研制、試驗、訓(xùn)練和作戰(zhàn)使用提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，海區(qū)聲傳播損失是水聲環(huán)境中最重要的參數(shù)，它對聲吶、魚雷、潛艇等水中兵器的目標探測與報警具有較大的影響。近幾十年來，科研人員在水中聲場模型及數(shù)值預(yù)報方面做了許多工作，出現(xiàn)了很多數(shù)值預(yù)報模型。但各模型的適用范圍有限，數(shù)值預(yù)報精度還達不到現(xiàn)代水聲裝備的應(yīng)用要求，對精度要求較高時，一般需要實時現(xiàn)場測量[2]。

國外對海底山聲傳播的研究較早，有研究證明經(jīng)過海底山的聲傳播損失比沒有海底山的聲傳播損失增大近35 dB[3]。近年來，國內(nèi)在海底山對聲傳播影響方面的研究較多。2015年，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所(簡稱：聲學(xué)所)在南海進行了一次聲傳播實驗[4]，結(jié)果表明，海底山上方聲傳播損失減小10 dB，在海底山后方聲影區(qū)比無海底山海區(qū)相同位置聲傳播損失增大10 dB。聲學(xué)所2014年的另一次綜合性深海實驗表明[5]，海底小山丘比平坦海區(qū)相同聲影區(qū)位置的傳播損失增大約8 dB，海底斜坡上方靠近海面區(qū)傳播損失減小約5 dB。文獻[6]研究表明，相比平坦海底，聲波在靠近海底山前傳播損失減少近10 dB，在經(jīng)過海底山后增大了35 dB以上。本文結(jié)合實驗結(jié)果對一種海底山占較大海深范圍的特殊地形進行分析，研究這種情況下的聲傳播損失異常情況。

1 海底地形對聲傳播的影響

海底地形主要包括大陸坡架、海底平原、海底丘陵山脈和海溝等，南海和臺灣島周邊都能找到類似的海底地形。海底由于地形起伏、成分多變和海底底質(zhì)分層等因素，對聲波的影響比海面大得多，預(yù)報海底聲波損失相對來說更困難。海底對聲波的影響主要有反射損失、散射損失和吸收損失，海底沉積物的密度、厚度、衰減系數(shù)和聲速是影響聲波吸收的主要參數(shù)[7]。海底山是一種海底起伏變化劇烈的地形，它一般隱藏在大洋海水深處，但也有部分底山離海面很近，其劇烈起伏的海底地形，對聲傳播的影響很大。

爆炸信號的傳播損失(TL)對應(yīng)的計算公式為[8]

對于實際海底，影響聲傳播的海底聲學(xué)參數(shù)較多，對海底沉積物參數(shù)進行簡化，可以得到均勻液態(tài)海底的瑞利反射系數(shù)公式[8]：

式中：為掠射角；m為海底密度與海水密度之比；n為海水聲速與海底聲速之比。由式(2)可以看出，海底反射大小除了與海底折射率和密度比有關(guān)外，還與聲波入射時的掠射角有關(guān)。對于同一聲源聲波，不同海底地形有不同的掠射角，會導(dǎo)致不同的反射結(jié)果。存在一個臨界掠射角，當(dāng)掠射角大于臨界掠射角時，反射損失較大，當(dāng)小于臨界掠射角時則反之。圖1[8]給出了淺海海底小山丘和小海溝地形對聲傳播的影響，圖1中給出的是深度平均的聲傳播損失曲線，從圖中可以看出，聲傳播損失在海盆地形距離處比平坦海底可以增加約5 dB，而小山丘地形使聲傳播損失減小5 dB左右。聲波在經(jīng)過海底不平整地形后，在海盆地形可能出現(xiàn)傳播損失增大的情況，在海底小山丘后傳播損失變大。這種不同的海底地形，對聲吶等裝備的作用距離有較大影響，需要針對具體地形情況具體研究[8]。

2 一種海底山地形的聲傳播現(xiàn)象

本文選取一種聲傳播路線上存在較高海底山脈的地形，根據(jù)仿真結(jié)果和海上實驗數(shù)據(jù)，對聲傳播現(xiàn)象進行分析。實驗時間為2014年秋季，地點為某海域，發(fā)射聲源采用定深爆炸聲源，接收為16元水面浮標垂直接收陣，最大接收深度為200 m。該測線上海底山離水面較近，海底山最淺處水深約210 m，最大水深約1 300 m，海底山高度約占海區(qū)深度的84%，整個測線長度約150 km。聲傳播測線上的海底地形如圖2所示。

圖2 測線海底地形水深變化圖

仿真采用的聲速剖面是類似海區(qū)的實測數(shù)據(jù)，如圖3所示。圖4為采用拋物方程聲學(xué)模型分析的仿真結(jié)果二維圖，其中，聲源深度為100 m，信號頻率為500 Hz。仿真采用的海底參數(shù)為海圖數(shù)據(jù)估算值，海底沉積層厚度為5 m，聲速為1 580 m·s-1，密度為1.6 g·cm-3，吸收系數(shù)為0.4 dB·λ-1。

圖3 仿真計算使用的聲速剖面

圖4 測線上100 m深度聲源500 Hz傳播損失仿真圖

該測線上海底山較高，最淺處離海面約210 m，聲傳播受海底山阻擋較明顯。從仿真結(jié)果可看出，該站點在13 km內(nèi)信號傳播損失小，接收到的信號穩(wěn)定、強度大，而在28 km后，深度小于100 m時，接收信號很小，信號的信噪比較低，相當(dāng)于聲影區(qū)。

圖5是不同頻率的信號經(jīng)海底山后的傳播損失實測數(shù)據(jù)圖。由圖5可看出，對比海底地形圖，在海底山前，信號穩(wěn)定、強度大，傳播損失小，而海底山后，傳播損失突然變大，接收信號較弱，在50 km外幾乎接收不到信號。對比圖4的仿真結(jié)果，海底山對信號的影響作用相同，結(jié)果基本一致。主要是由于海底地形起伏所致，聲波傳播到海底山邊緣時，由于海底山地形的反射作用，使部分聲波折向海底山上方位置，從而使該處聲信號加強。對于海底山后的信號，由于海底山的阻擋作用，聲傳播損失變大，部分地方形成聲影區(qū)。另外，從圖6可看出，海底山對不同頻率的聲波影響基本一致，和平坦海底一樣，由于海水吸收系數(shù)不同，在相同距離時，低頻傳播損失小，高頻傳播損失大，但海底山前頻率為100 Hz的信號比頻率為1 000 Hz的信號其傳播損失小約15 dB，海底山后則小25 dB以上。

圖5 測線上實測聲傳播損失(聲源深度100 m，接收深度101 m)

圖6為存在海底山地形與平坦海底地形聲傳播損失實測和仿真對比圖，對比頻率為500 Hz。在海底山前，仿真和實測聲傳播損失都小于86 dB，從13 km開始，聲傳播損失變化加快，在31 km以外，聲傳播損失都大于100 dB。對比平坦海底，存在海底山地形時實測和仿真的傳播損失約少2～7 dB。在海底山后，實測和仿真?zhèn)鞑p失都比平坦海底大很多，最大多衰減約24 dB。存在海底山時，仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)總體基本吻合，在26 km以外，聲傳播損失仿真結(jié)果比實測結(jié)果大，可能由測量方式和海面風(fēng)浪干擾等因素引起。在海底山山頂處，實測和仿真差別較大，這可能是由于海底山頂位置差異引起的。本實驗采用浮標測量系統(tǒng)進行聲信號采集與存儲，秋季航次風(fēng)浪較大，海浪對浮標的拍打和浮標上下起伏引起的測量陣流噪聲使接收信號干擾變大，增大了遠距離接收寬頻信號的測量誤差。

圖6 海底山海底與平坦海底傳播損失對比圖(聲源深度100 m， 接收深度約101 m，頻率為500 Hz)

圖7是一種海底坡地形聲傳播仿真圖，該地形屬于大陸架陡坡海底，長度約65 km、坡度約2.6°，存在海底小山丘壑凹陷地形。仿真聲源深度為50 m，信號頻率為500 Hz，圖8為實測聲傳播損失結(jié)果(同條測線往返兩次測量結(jié)果)。實驗中聲源和接收設(shè)備和前文一樣，采用定深爆炸聲源，接收采用懸掛16陣元接收陣的水面浮標測量系統(tǒng)。對比圖7和圖8可見，在38 km內(nèi)，傳播損失較小，信號穩(wěn)定且強度大；在40～60 km范圍內(nèi)，接收到的信號很弱，信噪比低，信號幾乎已被環(huán)境信號淹沒，聲傳播損失變化不大，仿真結(jié)果和實測結(jié)果基本吻合。由圖1可以看出，聲源在經(jīng)過海底山丘后和凹陷地形傳播時，信號傳播損失將比同條件下水平海底造成的傳播損失大。從圖7海底地形圖可以看出，在32 km附近，海底呈小山丘地形，40 km處形成凹陷地形，40 km后呈上升斜坡地形，深度變化劇烈，這種深度變化對聲傳播衰減有較大的影響。

圖9為該種地形下三種頻率的聲傳播仿真圖，可以看出，在60 km后，聲傳播損失很大，已經(jīng)接收不到信號，30 km后傳播損失降低較快，對比地形圖和實測數(shù)據(jù)，基本符合斜坡和凹陷地形的聲傳播特點。由于仿真地形采用海圖數(shù)據(jù)，和實際測線上地形有一定差異，加之這種海底地形底質(zhì)參數(shù)變化較大，使仿真和實測結(jié)果有一定出入。

圖7 海底坡地形的測線上傳播損失仿真結(jié)果圖

圖8 測線上實測聲傳播損失(聲源深度50 m，接收深度約50 m)

圖9 測線上實測不同頻率的聲傳播損失(聲源深度50 m)

綜合以上仿真分析和實驗結(jié)果資料，針對海底山占海底深度比較大的這種特殊地形，對比一般平坦海底，可以得出以下結(jié)論：

(1) 在海底山前面，聲傳播損失將比同條件下水平海底的傳播損失小，這是因為聲波傳播到海底山前邊緣時，由于海底山地形的反射作用，使部分聲波折向海底山上方位置，從而使該處聲信號加強。

(2) 在海底山后，聲傳播損失顯著變大，并在一定距離和深度形成明顯的聲影區(qū)。這是由于海底山的阻擋作用，使聲傳播損失變大，部分地方甚至形成聲影區(qū)。

(3) 斜坡及凹陷海底地形會導(dǎo)致傳播損失加大。斜坡地形中，聲源從大深度處向小深度處傳播，由于楔形及凹陷海底的散射、反射效應(yīng)，信號傳播損失將比同條件下水平海底造成的傳播損失大。

3 結(jié)語

海洋聲傳播受海底海面、海水吸收和聲速梯度等方面的影響，不同的信號頻率、不同的發(fā)射深度和接收深度有不同的聲傳播結(jié)果，具體情況較為復(fù)雜。本文利用一次實驗數(shù)據(jù)，針對一種特殊海底山的情況進行了仿真和實驗結(jié)果對比分析，研究結(jié)果對聲吶作用距離分析、海區(qū)聲傳播調(diào)查方案設(shè)計和聲傳播特性分析等研究具有一定參考價值。

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Analysis of underwater acoustic propagation under the terrain of “seabed mountain”

HAN Yin-hai, JIANG Guo-jin, LI Chun-feng

(91388 Force 45 Units, Zhanjiang 524022, Guangdong, China)

In underwater sound propagation measurements, the great change of water depth along the measuring line can make the sound propagation change significantly. So, the topography of seabed mountains and trenches has a great influence on the sound wave propagation to make the sound transmission loss become larger and smaller, and even produces acoustic shadow effect, which has a great influence on the development and use of underwater acoustic equipment. In this paper, the sound propagation problem under a special seabed mountain terrain is analyzed, and by comparing with the experimental data, the sound transmission loss in the presence or absence of seabed mountain is studied. It is expected that this study will be helpful to the marine environmental survey and the development and application of underwater weapon equipment.

seabed mountain; terrain; sound propagation

P733.21

A

1000-3630(2018)-06-0545-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.06.006

2018-03-07;

2018-04-30

科研創(chuàng)新基金項目(批準號：[2013]34號)。

韓引海(1973－), 男, 陜西咸陽人, 碩士, 工程師, 研究方向為海洋環(huán)境測量與分析。

韓引海,E-mail: hanyinhai@163.com