爆炸聲源投放間隔對(duì)會(huì)聚區(qū)聲傳播損失測(cè)量的影響

李國(guó)富，劉 頡，齊占峰，張 爽，彭家忠，李 琦

(國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112)

0 引 言

在水聲調(diào)查試驗(yàn)中，聲傳播損失測(cè)量是一項(xiàng)非常重要的作業(yè)內(nèi)容。目前用于海洋聲傳播損失測(cè)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(biāo)聲源等。由于爆炸聲源能夠產(chǎn)生寬頻帶的脈沖信號(hào)，一次發(fā)聲過(guò)程便可獲得幾百乃至幾千赫茲帶寬內(nèi)的傳播損失，因而是當(dāng)前海洋聲學(xué)調(diào)查中最常見(jiàn)的發(fā)射聲源[1]。在測(cè)量過(guò)程中，按照一定距離間隔投放爆炸聲源，并在設(shè)定深度上起爆，發(fā)出氣泡脈沖，利用事先布放的水聽(tīng)器陣列接收經(jīng)過(guò)海洋聲信道的聲傳播信號(hào)，最終通過(guò)回放分析接收數(shù)據(jù)，得到聲傳播損失。

在深海中，會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象是特有的聲傳播特征，更是深海水聲調(diào)查的重要研究?jī)?nèi)容。會(huì)聚區(qū)傳播的重要性在于它能夠高強(qiáng)度、低失真地遠(yuǎn)距離傳播聲信號(hào)。利用會(huì)聚區(qū)效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水中目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測(cè)以及水下裝備的遠(yuǎn)距離通信等[2]。會(huì)聚區(qū)距離、寬度、增益等特征的精細(xì)測(cè)量在水聲設(shè)備研制和水下對(duì)抗等方面具有重大的研究意義。在爆炸聲源的諸多參數(shù)之中，與會(huì)聚區(qū)聲傳播損失特征測(cè)量的精細(xì)程度最直接相關(guān)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(xì)的會(huì)聚區(qū)特征。然而實(shí)際海上作業(yè)的可操作性、成本等因素限制了爆炸聲源的密集投放。過(guò)大的投放間隔則可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)過(guò)于稀疏化而不能完整刻畫(huà)聚區(qū)聲傳播損失的結(jié)構(gòu)。對(duì)于這一問(wèn)題，在實(shí)際海上調(diào)查作業(yè)中已有許多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但系統(tǒng)的分析研究還未見(jiàn)報(bào)道。本文基于 Argo資料計(jì)算了西太平洋某海域典型深海聲速剖面，并應(yīng)用水聲學(xué)數(shù)值模型結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了爆炸聲源投放間隔對(duì)會(huì)聚區(qū)聲傳播損失測(cè)量的影響，最后結(jié)合實(shí)際海上作業(yè)要求，給出了爆炸聲源投放間隔的設(shè)計(jì)原則。

1 聲傳播損失定義與計(jì)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(qiáng)度的衰減情況，它定義為

式中：I1、Ir分別是距離聲源的聲學(xué)中心1 m處和r處的聲強(qiáng)；對(duì)于瞬態(tài)信號(hào)以及在傳播中或在遇到目標(biāo)后信號(hào)有嚴(yán)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(zhì)點(diǎn)振速。對(duì)應(yīng)的聲傳播損失為

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

對(duì)于利用水聽(tīng)器陣列獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取從聲源發(fā)出經(jīng)過(guò)所有途徑到達(dá)接收點(diǎn)的聲傳播信號(hào)離散時(shí)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(tīng)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(nèi)的聲能流密度；Mv為水聽(tīng)器的電壓靈敏度；G為接收系統(tǒng)的放大增益；LS(f0)為聲源級(jí)。

2 環(huán)境數(shù)據(jù)來(lái)源及聲場(chǎng)計(jì)算方法

本研究所用的Argo資料是由中國(guó)Argo實(shí)時(shí)資料中心提供的全球海洋 Argo網(wǎng)格數(shù)據(jù)集，時(shí)間范圍2004年1月～2017年12月，采樣數(shù)據(jù)主要包括水溫、鹽度和壓力，空間分辨率為 1°×1°，剖面測(cè)量范圍 0～2 000 m，垂直層數(shù)58層。該網(wǎng)格數(shù)據(jù)集是中國(guó)Argo實(shí)時(shí)資料中心在各國(guó)Argo資料中心的實(shí)時(shí)和部分延時(shí)質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，利用逐步訂正法，并結(jié)合混合層模型構(gòu)建完成的全球海洋三維網(wǎng)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(jù)ETOPO1數(shù)據(jù))，有較大深度余量，利于產(chǎn)生聲場(chǎng)會(huì)聚現(xiàn)象。考慮到Argo剖面數(shù)據(jù)的最大取樣深度為2 000 m，因此無(wú)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(jì)算。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，2 000 m以深部分，假設(shè)溫度、鹽度不變，只是壓力增加，補(bǔ)齊溫度、鹽度剖面數(shù)據(jù)，最后通過(guò)Chen&Millero海水聲速經(jīng)驗(yàn)公式獲得全海深的聲速剖面[6-7]。

圖1是利用上述方法計(jì)算得到的西太平洋某海域5月份平均聲速剖面，可見(jiàn)該海域的聲速剖面呈現(xiàn)出典型深海 Munk剖面結(jié)構(gòu)特征[8]。因受到春季溫暖陽(yáng)光照射，近表層表現(xiàn)為季節(jié)性躍層條件下的負(fù)梯度聲速結(jié)構(gòu)，表面聲速最大值位于海面附近，為1 543 m·s-1。深海內(nèi)部，水溫低且穩(wěn)定，形成深海等溫層，聲速隨海洋深度增加呈現(xiàn)正梯度變化，近海底聲速達(dá)到最大1 559 m·s-1，深度余量達(dá)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(guān)聲學(xué)模型(Range-dependent Acoustic Model, RAM)[9]中，對(duì)該區(qū)域的聲傳播損失進(jìn)行計(jì)算。RAM 基于分裂步進(jìn)帕德近似，可允許較大的水平步進(jìn)距離，計(jì)算速度快，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，特別是在處理大多數(shù)海洋環(huán)境中存在的低頻遠(yuǎn)距離聲傳播衰減問(wèn)題時(shí)比較準(zhǔn)確。聲場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中的主要參數(shù)設(shè)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(shù)αb為 0.5 dB·λ-1。

3 結(jié)果與分析

3.1 聲源深度50 m時(shí)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(shí)的全海深聲場(chǎng)。由圖2可見(jiàn)，由于近海面的負(fù)梯度聲速結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)形成會(huì)聚區(qū)聲場(chǎng)。在水平距離小于140 km范圍內(nèi)，具有兩個(gè)明顯的深海會(huì)聚區(qū)：第一會(huì)聚區(qū)的中心距離在62.5 km左右，第二會(huì)聚區(qū)的中心距離在125 km左右。圖2(a)中，當(dāng)聲源頻率f=200 Hz時(shí)，小角度反轉(zhuǎn)聲線的干涉使得第一、第二會(huì)聚區(qū)的左側(cè)分支分為兩個(gè)聲束。圖2(b)中，當(dāng)聲源頻率f=800 Hz時(shí)，第一會(huì)聚區(qū)左右兩側(cè)分支因不同反轉(zhuǎn)聲線之間的干涉形成多個(gè)間隔較近的聲束，而第二會(huì)聚區(qū)左右兩側(cè)分支不同聲束之間的間隔則稍遠(yuǎn)。

圖2 聲源位于50 m深度時(shí)的聲場(chǎng)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(duì)聲傳播損失測(cè)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(shí)，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(huì)聚區(qū)與聲源的距離為 58～67 km，第二會(huì)聚區(qū)的范圍在 120～131 km，會(huì)聚區(qū)寬度僅為10 km左右。由圖3(a)中可見(jiàn)，當(dāng)聲源頻率f=200 Hz時(shí)，3種投放間隔下的聲傳播損失曲線都能夠刻畫(huà)出對(duì)應(yīng)于第一、第二會(huì)聚區(qū)左右兩側(cè)分支的“雙峰”特征，但是只有投放間隔d=0.5 km能夠測(cè)量到第一會(huì)聚區(qū)左側(cè)分支的兩個(gè)峰值結(jié)構(gòu)。當(dāng)聲源頻率f=800 Hz時(shí)，如圖3(b)所示，投放間隔d=0.5 km和d=1 km均能捕捉到對(duì)應(yīng)于第一會(huì)聚區(qū)左右分支的“雙峰”特征，而當(dāng)投放間隔d=2 km時(shí)測(cè)量到的對(duì)應(yīng)于右側(cè)分支的第二個(gè)峰值不明顯。對(duì)于圖3(a)和3(b)中的第二會(huì)聚區(qū)，當(dāng)投放間隔d=0.5 km時(shí)，可清晰地看出在對(duì)應(yīng)左右兩側(cè)分支的“雙峰”結(jié)構(gòu)上存在著許多細(xì)小的峰值。隨著投放間隔的繼續(xù)增大，除測(cè)得的會(huì)聚區(qū)位置、寬度基本一致之外，這些細(xì)小峰值的精細(xì)程度明顯依次下降。

3.2 聲源深度100 m時(shí)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(chǎng)。與圖2的聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)相似，圖 4中的聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出明顯的深海會(huì)聚區(qū)特征，第一會(huì)聚區(qū)的中心距離約在62 km處，第二會(huì)聚區(qū)的中心距離約在 124 km處。與聲源深度DS=50 m時(shí)聲場(chǎng)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(zhuǎn)并在會(huì)聚區(qū)位置干涉，導(dǎo)致會(huì)聚區(qū)寬度增大。特別地，當(dāng)聲源頻率f=200 Hz時(shí)，與圖2(a)相比，第二會(huì)聚區(qū)的左側(cè)分支形成更多的離散聲束。

圖4 聲源位于100 m深度的聲場(chǎng)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(shí)，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(huì)聚區(qū)距離的變化范圍在 56～68 km，第二會(huì)聚區(qū)離聲源的水平距離在116～130 km。由圖5(a)可見(jiàn)，當(dāng)聲源頻率f=200 Hz時(shí)，投放間隔d=0.5 km能夠測(cè)量到與第一會(huì)聚區(qū)左側(cè)分支離散聲束相對(duì)應(yīng)的多個(gè)峰值結(jié)構(gòu)，投放間隔d=1 km和2 km僅能刻畫(huà)出第一會(huì)聚區(qū)左側(cè)分支中最明顯的兩個(gè)峰值，投放間隔d=2 km獲得的第一會(huì)聚區(qū)右側(cè)分支峰值的增益明顯變低，增益衰減值達(dá)7.5 dB。在第二會(huì)聚區(qū)，d=0.5 km投放間隔可以捕捉到許多細(xì)小的峰值結(jié)構(gòu)，而d=1 km和d=2 km投放間隔僅能測(cè)量到 3個(gè)主要的峰值。當(dāng)聲源頻率f=800 Hz時(shí)，如圖5(b)所示，投放間隔d=0.5 km和d=1 km能刻畫(huà)出第一、第二會(huì)聚區(qū)3個(gè)主要的峰值結(jié)構(gòu)，而投放間隔d=2 km時(shí)則只能測(cè)到一兩個(gè)峰值。

3.2 聲源深度300 m時(shí)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(chǎng)。與圖2、圖4所示聲源深度DS=50 m和DS=100 m時(shí)的會(huì)聚區(qū)聲場(chǎng)相比，具有明顯不同的特征：首先會(huì)聚區(qū)距離顯著縮短，第一會(huì)聚區(qū)的中心距離在58 km左右，第二會(huì)聚區(qū)的中心距離在 117 km左右；其次隨著聲源深度繼續(xù)增大，在負(fù)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(zhuǎn)，導(dǎo)致會(huì)聚區(qū)左右兩側(cè)分支在近海面附近重疊在一起，會(huì)聚區(qū)的寬度大幅度展寬。

圖6 聲源位于300 m深度的聲場(chǎng)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(shí)，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(huì)聚區(qū)的寬度分別達(dá)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(huì)聚區(qū)峰值結(jié)構(gòu)越來(lái)越粗糙。但同時(shí)應(yīng)注意到，聲源處于較大的深度時(shí)，3種投放間隔所測(cè)得的會(huì)聚區(qū)位置、寬度、增益基本相同。

最后，為進(jìn)一步分析投放間隔對(duì)會(huì)聚區(qū)聲傳播損失測(cè)量的實(shí)際影響，對(duì)某次聲傳播損失調(diào)查獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)聲源頻率f=200 Hz時(shí)，聲源投放間隔d=1 km 和d=2 km所刻畫(huà)的 60 km附近的第一會(huì)聚區(qū)聲傳播損失結(jié)構(gòu)，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(huì)聚區(qū)的雙峰結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)中，當(dāng)聲源頻率f=800 Hz時(shí)，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(jié)構(gòu)基本相同。

圖8 不同投放間隔下的聲傳播損失實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(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(jié) 論

本文基于2004～2017年的Argo浮標(biāo)資料，選取西太平洋某海域典型深海聲速剖面，利用 RAM計(jì)算了不同聲源深度和頻率下的聲場(chǎng)，并結(jié)合某次聲傳播損失實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了3種爆炸聲源投放間隔下獲得的會(huì)聚區(qū)聲傳播損失，得到如下結(jié)論：(1)不同的聲源深度和頻率時(shí)，3種投放間隔測(cè)量到的會(huì)聚區(qū)位置、寬度基本一致，而會(huì)聚區(qū)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(huà)出會(huì)聚區(qū)聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征；投放間隔d=1 km基本滿足對(duì)會(huì)聚區(qū)聲傳播損失精細(xì)測(cè)量的要求；投放間隔d=2 km能測(cè)量到會(huì)聚區(qū)的大致結(jié)構(gòu)，但精細(xì)程度不足，可能會(huì)對(duì)會(huì)聚區(qū)峰值結(jié)構(gòu)漏測(cè)或獲得不精確的會(huì)聚區(qū)增益。(3) 當(dāng)聲源深度較深時(shí)，較大的投放間隔(d=2 km)也可獲得較好的會(huì)聚區(qū)增益和聲傳播損失峰值結(jié)構(gòu)。

基于以上結(jié)論，采用d=0.5 km甚至更小的投放間隔對(duì)于會(huì)聚區(qū)結(jié)構(gòu)的精細(xì)測(cè)量最為有利。但鑒于實(shí)際海上作業(yè)經(jīng)費(fèi)、船時(shí)、操作方便程度、聲源延爆時(shí)間等因素的限制，在聲傳播測(cè)線上全程使用d=0.5 km投放間隔的可行性不高。同時(shí)考慮到投放間隔d= 1 km可以基本滿足會(huì)聚區(qū)精細(xì)測(cè)量的要求，因此建議爆炸聲源投放間隔采用如下設(shè)計(jì)方案：對(duì)深海會(huì)聚區(qū)聲傳播損失開(kāi)展精細(xì)測(cè)量時(shí)，在已有海洋環(huán)境或聲學(xué)數(shù)據(jù)的情況下，對(duì)會(huì)聚區(qū)距離和寬度的大致范圍進(jìn)行預(yù)先估計(jì)，采用會(huì)聚區(qū)d=0.5 km投放間隔、影區(qū)d=1 km投放間隔的會(huì)聚區(qū)加密投放方式；在未知海域采用全測(cè)線d=1 km的投放間隔，兼顧會(huì)聚區(qū)空間采樣間隔和實(shí)際調(diào)查條件。而對(duì)于以了解會(huì)聚區(qū)大致結(jié)構(gòu)為目標(biāo)的一般聲傳播損失調(diào)查，特別是當(dāng)聲源深度較大時(shí)，可以采用全測(cè)線d=2 km的投放間隔獲得會(huì)聚區(qū)位置、寬度、增益等參數(shù)的基本情況。