淺海起伏海面下氣泡層對(duì)聲傳播的影響

侯林洋

摘 要： 起伏海面下，受到風(fēng)浪影響產(chǎn)生的氣泡層會(huì)對(duì)聲傳播產(chǎn)生影響，其不僅能夠使水中聲速剖面改變，同時(shí)也會(huì)散射并吸收聲波?；诖耍疚木蜏\海起伏海面下氣泡層對(duì)聲傳播影響展開分析，先從聲反射系數(shù)和聲傳播損失兩方面就氣泡層與聲傳播關(guān)系進(jìn)行分析，進(jìn)而得到相關(guān)結(jié)論，得到受不同風(fēng)速影響，氣泡層會(huì)對(duì)聲傳播產(chǎn)生一定影響。

關(guān)鍵詞： 淺海;起伏海面;氣泡層;聲傳播

【中圖分類號(hào)】TU746.3 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【文章編號(hào)】1674-3733（2020）11-0221-02

1 引言

平整海面中，聲波反射系數(shù)是-1，其不會(huì)導(dǎo)致海面反射出現(xiàn)較大的損失，而在海浪影響下，海面會(huì)出現(xiàn)起伏現(xiàn)象，進(jìn)而反射、散射聲波，導(dǎo)致海面反射出現(xiàn)損失，同時(shí)，在風(fēng)浪的影響下，海面中的氣泡會(huì)導(dǎo)致聲傳播受到影響。研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)風(fēng)浪時(shí)，起伏海面和近海面氣泡層會(huì)影響聲傳播，考慮到風(fēng)浪個(gè)下，氣泡層會(huì)影響海面反射損失，在風(fēng)速10m/s條件下，計(jì)算氣泡總體積，簡(jiǎn)單得到海面反射系數(shù)以及氣泡導(dǎo)致的聲場(chǎng)衰減系數(shù)。本文則進(jìn)一步就此展開研究，提高模型適用范圍，考慮不同情況下的聲傳播損失。

2 起伏海面下氣泡層與聲傳播的關(guān)系

2.1 聲反射系數(shù)

頻率在2kHz時(shí)，水速是1490m/s，海表面的風(fēng)速是7、10、13和16，水中的聲速剖面見圖1，海面在0-10m中的水中聲速會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，風(fēng)速在13時(shí)，海面表層的水中聲速為32m/s。

水中氣泡能夠散射并吸收聲能量，導(dǎo)致聲能量衰減。在2kHz時(shí)，不同海面的風(fēng)速導(dǎo)致的氣泡層，衰減結(jié)果如圖2所示。

（3）求解多層氣泡結(jié)果的聲反射系數(shù)

在對(duì)海面反射損失影響情況進(jìn)行研究時(shí)，隨著水深變化，氣泡層對(duì)聲波的效應(yīng)也會(huì)發(fā)生變化，劃分氣泡層，垂直方向需要采用遞歸方法進(jìn)行求解。見圖3，氣泡混合層分成垂直多層結(jié)構(gòu)，底層和頂層以及中間層。由于小掠射角入射聲波影響，在水中聲速1490m/s情況下，風(fēng)速是7、10、13，對(duì)海面反射損失進(jìn)行計(jì)算。在不對(duì)氣泡層影響情況考慮情況下計(jì)算起伏海面反射損失，在此基礎(chǔ)上加入消減效應(yīng)，風(fēng)速不同氣泡層導(dǎo)致的聲波衰減系數(shù)也有所不同。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上加入折射效應(yīng)，得到不同風(fēng)速下，氣泡層聲速剖面變化不同。將0-10m海面分成100層，通過(guò)上述方法逐層計(jì)算，在此基礎(chǔ)上加入折射和消減兩個(gè)效應(yīng)，得到的影響因素與圖中相符。

風(fēng)速在7m/s時(shí)，起伏海面粗糙度要相對(duì)較小，這時(shí)受到風(fēng)浪影響，氣泡層對(duì)于聲速改變和聲波散射起到的作用較小，因此，海面反射的損失也就比較小。氣泡層折射效果比較明顯，頻率超過(guò)2kHz，起伏海面下，氣泡會(huì)使海面反射損失改變，對(duì)比（c）和（d）發(fā)現(xiàn)，氣泡層會(huì)吸收并散射聲波，且能夠?qū)τ诼暡ㄆ鸬秸凵渥饔谩Ｓ纱丝梢?，風(fēng)速超過(guò)10m/s且頻率超過(guò)2kHz，海面粗糙度與氣泡層會(huì)影響小略射角小的聲傳播[2]。反射損失和氣泡層對(duì)于海面反射損失影響也在增大，風(fēng)速為13m/s、頻率為1kHz時(shí)，小略射角下海面反射損失有著比較明顯的影響。

2.2 聲傳播損失

從上述的分析中得到起伏海面下，氣泡層中聲傳播計(jì)算方法及其流程，得到相應(yīng)的參數(shù)、系數(shù)等。由此分析氣泡層對(duì)聲傳播損失的影響。

水深80m，聲源深度7m，接受深度7m，不含氣泡水中的聲速1490m/s，氣泡層下，修正系數(shù)，風(fēng)速分別為7、10、13、16，計(jì)算起伏海面下，有無(wú)氣泡層時(shí)聲傳播損失情況。應(yīng)用寬帶非相干法計(jì)算中心頻率是3kHz下的聲傳播損失曲線，其是風(fēng)速分布為7、10、13、16四種情況下，得到的聲傳播損失曲線，紅色為平整海面計(jì)算、綠色為起伏海面無(wú)氣泡層、藍(lán)色為起伏海面有氣泡層。從中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速在7m/s時(shí)，紅綠兩條曲線分貝差距為5dB，藍(lán)綠曲線幾近重合，這是因?yàn)闅馀輰訉?dǎo)致的衰減系數(shù)和聲速結(jié)構(gòu)改變比較小，氣泡層對(duì)聲傳播損失影響也比較小;風(fēng)速10m/s時(shí)，紅綠曲線差距4.6dB，藍(lán)綠曲線差距為0.4dB;風(fēng)速13m/s時(shí)，紅綠曲線差距6.6dB，藍(lán)綠曲線差距2.5dB;風(fēng)速16m/s時(shí)，紅綠曲線差距為11.3dB，藍(lán)綠曲線差距為8.1dB。由此可見，風(fēng)速大，起伏海面下氣泡層對(duì)于聲傳播有著更大的影響。

3 結(jié)論

大風(fēng)天氣中，起伏海面會(huì)出現(xiàn)氣泡層，其不僅會(huì)導(dǎo)致水中聲速剖面變化，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致聲波由于散射和吸收作用而出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，本文就起伏海面下氣泡層對(duì)于聲傳播的影響進(jìn)行研究，分析了相應(yīng)的計(jì)算方法，并從海面聲反射損失與氣泡層聲傳播損失這兩方面進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速超過(guò)10m/s時(shí)，氣泡層頻率超過(guò)2kHz，小掠射角下海面聲反射損失有著較為明顯的影響，風(fēng)速超過(guò)13m/s，氣泡層頻率超過(guò)1kHz，小掠射角下海面聲反射損失有著較為明顯的影響。

參考文獻(xiàn)

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