深海地形對聲傳播特性的影響

鄭曉慶，郁紅波，董彩萍，安 舒

（1.海軍航空大學，山東 煙臺 264001；2.中國人民解放軍92781部隊，海南 三亞 572000）

相對于淺海400 m以內(nèi)平坦大陸架，深海的海底地形更為復雜。深海海底多以“山體”為主，同時存在大量的“海盆”和海溝，因此，研究深海海底地形對聲傳播的影響和聲吶的使用尤為重要，人們對此開展了大量的工作［1-6］。

楊家軒等通過BELLHOP模型仿真不同高度海底“山體”對聲傳播的影響，通過仿真發(fā)現(xiàn)深海中聲線傳播對于“山體”地形變化的敏感性很強，“山體”越高，對水下聲傳播的多徑時延影響越大［7］。同時仿真了不同掠射角和聲線數(shù)量對聲傳播的影響，發(fā)現(xiàn)合適的掠射角、聲線數(shù)目均對水下聲場有重要影響［8］；胡治國通過實驗研究了海底“山體”和小山丘對聲傳播的影響，并且對聲線在深海傳播中由地形引起的物理現(xiàn)象進行了解釋［9］；張鵬研究了深海不完全聲道環(huán)境下的海底反射對聲傳播的影響，通過實驗觀測到不同于深海會聚區(qū)的海底反射會聚現(xiàn)象，在直達聲區(qū)范圍內(nèi)的海底隆起可導致海底反射會聚區(qū)提前形成，并使得部分影區(qū)的聲強明顯提高［10］。

本文通過BELLHOP模型仿真了海底的多種地形類型，包括“山體”、“海盆”以及平坦地形，通過本征聲線和時間到達結(jié)構(gòu)對仿真過程中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象給出合理解釋，為后期深海環(huán)境下聲傳播的影響研究提供重要的理論依據(jù)。

1 海底地形模型

本文采用BELLHOP模型通過建立?.bty文件對海底地形進行建模。圖1為?.bty文件的具體格式，其中，r為距離聲源的距離，km；h為“山體”或“海盆”的相對于平坦地形的高度，平坦地形的深度為5 km。

圖1 ?.bty文件參數(shù)文件設置

本文假設海底地形形狀服從正態(tài)分布，因此，通過正態(tài)分布函數(shù)生成圖1?.bty文件中的參數(shù)。

假設“山體”服從均值μ＝30 km，方差σ＝7 km的正態(tài)分布，正態(tài)分布概率密度函數(shù)為

則“山體”曲線函數(shù)為

“海盆”的曲線函數(shù)為

其中，z為海水的深度；z1為“山體”的高度。本文水深為5 000 m，“山體”高度為2 000 m。通過仿真得到了“山體”和“海盆”的模型圖，如圖2所示。

圖2 “山體”和“海盆”模型圖

2 不同海底地形下的聲傳播

圖3是南海深海最典型的聲速剖面，聲速剖面的聲道軸大概在1 km深度，最小聲速為1 500 m／s，海面聲速為1 564 m／s，小于海底的聲速1 575 m／s，屬于典型的深海聲道。

圖3 深海聲道聲速剖面

實驗所用換能器的入水深度為1 km，工作頻率為3 kHz，通過BELLHOP模型得出了海底為平地、“海盆”和“山地”下的傳播損失，如圖4所示。

圖4中利用顏色的深淺將特定海域的聲傳播損失大小表示出來，圖中深藍色區(qū)域表示聲線密度小，聲傳播損失較大，通常稱該區(qū)域為影區(qū)。在深度為1 km左右，聲線圍繞聲道軸傳播，隨著該區(qū)域聲線數(shù)量的不斷增加，聲傳播距離也不斷增加，該現(xiàn)象稱為深海表面聲道效應。圖4b）和圖4a）進行比較，當聲線經(jīng)過海盆時，“海盆”聲線的傳播路徑會隨著“海盆”深度的增加而下移，所以造成“海盆”地形下，海面的影區(qū)大于平坦地形下海面的影區(qū)，但由于聲線傳播途徑的下移，“海盆”周圍聲線會增加，造成附近的影區(qū)減少。圖4c）和圖4a）比較，由于“山體”的作用，造成海底出現(xiàn)大面積影區(qū)，同時由于“山體”表面對聲線的反射作用，導致聲線提前反射，聲線在海面聚集，聲強不斷增加，形成了會聚區(qū)。

圖4 三種海底地形下的聲傳播損失

為了定量分析上述現(xiàn)象，對接收點分別處在深度500 m、1 km、3 km、4 km的傳播損失進行計算和對比，如圖5所示。

圖5 接聽器處在不同深度傳播損失的計算與比較

通過圖5可知，無論接收點處于什么深度，聲源附近的傳播損失相對較少。對于圖5a）在10 km左右區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了影區(qū)，主要由聲速分布特點決定的，造成了聲線在傳播過程中無法達到該區(qū)域，與圖4中10 km處海表面出現(xiàn)影區(qū)基本吻合，在30 km區(qū)域內(nèi)，聲線經(jīng)過“山體”表面的反射，海面聲線聚集，造成該區(qū)域的傳播損失小于其他地形的傳播損失，形成會聚區(qū)；圖5b）中表示接收點深度處于1 km時的傳播損失小于接收點處于其他深度時的傳播損失，并且，由于表面聲道效應，聲線在聲道軸傳輸距離最遠，因此，當換能器處于該入水深度時，對處在該層的目標擁有最大的探測距離；圖5c）中，當接收器處在3 km的深度時，“山體”的傳播損失在30 km處明顯增大，形成大面積影區(qū)，但大概在60 km附近，“山體”和平坦地形的傳播損失又急劇減少，形成小面積的會聚區(qū)；圖5d）中，當接收器的入水深度為4 km時，由于“山體”的阻擋，在30 km附近產(chǎn)生了大面積的影區(qū)，聲線傳播同樣受“海盆”的影響，在距離聲源56 km處傳播損失明顯增大，形成了影區(qū)。

本文對于接收點入水深度為500 m，“山體”地形在30 km處出現(xiàn)會聚區(qū)，入水深度為3 km時，“山體”地形在40 km和60 km時出現(xiàn)傳播損失變化，入水深度為4 km，“海盆”地形在56 km處傳播損失急劇增大的現(xiàn)象進行解釋。

3 對于海底地形對聲傳播影響的解釋

1）對于圖4a）中當接收點距離聲源30 km時，“山體”的傳播損失小于其他地形，下面利用本征聲線和時間到達結(jié)構(gòu)來解釋“山體”地形下出現(xiàn)了小面積會聚區(qū)的原因。當接收點距離聲源30 km，入水深度為500 m時到達的本征聲線以及時間到達結(jié)構(gòu)如圖6所示。仿真過程中聲吶掠射角為34.3°（掠射角為絕對值），聲線數(shù)目Beams＝1 000，圖6d）中，紅色代表“山體”地形下時間到達結(jié)構(gòu)，青色為平坦地形下時間到達結(jié)構(gòu)，藍色為“海盆”地形下時間到達結(jié)構(gòu)。

從特征聲線傳播途徑來看，由于“山體”表面對聲線的反射，造成大部分特征聲線的傳播跨度減少，到達接收點的本征聲線相對于其他地形的數(shù)量要多，在“海盆”地形下，本來要到達接收點的本征聲線由于“盆地”的原因，造成一部分本征聲線陷入了“海盆”中，例如圖6b）中的藍色聲線；從時間到達結(jié)構(gòu)來看，“山體”地形下，到達接收點的本征聲線數(shù)量最多，達到了8條，由于聲線的提前反射，減小了本征聲線到達接收點的延遲時間，增加了到達接收點本征聲線的聲強幅度，造成了圖5a）中距離聲源30 km時，“山體”地形下的傳播損失小于其他地形。

圖6 當接收點距離聲源30 km，入水深度為500 m時到達的本征聲線以及時間到達結(jié)構(gòu)

2）利用相同原理解釋圖5c）中在40 km附近“山體”地形下聲傳播損失急劇下降的原因，將接收點的入水深度設置為3 km。

當接收點距離聲源40 km，入水深度為3 000 m時到達的本征聲線以及時間到達結(jié)構(gòu)如圖7所示。由圖7可知，當海底地形為平坦地形和“海盆”時，有從發(fā)射點直接到達接收點的本征聲線，青色的表示直接到達的本征聲線，表示在傳播過程中沒有經(jīng)過海底和海面的吸收反射，因此，聲線到達接收點攜帶的能量較多，但同時由于“盆地”對聲線的吸收作用，造成圖7d）中雖然二者到達時間相同，但“海盆”地形下聲線攜帶的聲強要小得多。海底地形為“山體”時，本征聲線沒有直接到達接收點，而是經(jīng)過海面和海底的反轉(zhuǎn)，并且相對于平坦地形來講，“山體”地形下聲線經(jīng)過海底和海面反射的次數(shù)較多，造成聲線能量大部分在傳輸過程中被吸收，從圖7d）中也可看出，“山體”地形下聲線到達接收點的時間比其他地形下的時間長，并且幅度小得多，因此，在這個區(qū)域內(nèi)才會造成圖5c）中在40 km附近“山體”的傳播損失大于其他地形。

圖7 當接收點距離聲源40 km，入水深度為3 000 m時到達的本征聲線以及時間到達結(jié)構(gòu)

3）利用相同原理解釋圖5c）中在60 km附近“山體”和平坦地形下聲傳播損失急劇下降的原因，將接收點的入水深度設置為3 km。

當接收點距離聲源60 km，入水深度為3 000 m時到達的本征聲線以及時間到達結(jié)構(gòu)如圖8所示，可以看出，接收點在3 km時，無論在何種地形下，均有直達的聲線沒有經(jīng)過海底和海面的吸收，因此，三種地形下到達接收點最早的時間大致相同，根據(jù)圖8d）可知，“山體”和平坦地形下，到達接收點的聲線強度幅值較強，形成小面積的會聚區(qū)，因此圖5c）中在距離聲源60 km處出現(xiàn)了“山體”和平坦地形下傳播損失急劇減少的現(xiàn)象。

圖8 當接收點距離聲源60 km，入水深度為3 000 m時到達的本征聲線以及時間到達結(jié)構(gòu)

4）對于接收點處于4 km，距離聲源56 km處，“海盆”地形下傳播損失明顯增大的現(xiàn)象進行解釋。

當接收點距離聲源56 km，入水深度為4 km時到達的本征聲線以及時間到達結(jié)構(gòu)如圖9所示，可以看出，三種地形下均沒有直達接收點的本征聲線，所有聲線均受過海面和海底的反射和吸收，但“海盆”下，由于大量聲線陷入盆地之內(nèi)，改變了原來聲線的傳播路徑，造成一部分該到達接收點的本征聲線由于傳播路徑的改變無法到達接收點，造成了圖9b）中很多本征聲線無法到達實驗設置的接收點，因此，相對于其他兩種地形，“海盆”地形下接收點實際接收本征聲線數(shù)量少于實際接收的本征聲線數(shù)量，從時間到達結(jié)構(gòu)來講，雖然“海盆”地形下本征聲線到達接收點的時間早，但幅值低，對聲場的貢獻較小，反觀其他兩種地形，聲線在到達時間37 s和38 s之間幅值比“海盆”地形的大，并且在其他到達時間內(nèi)，幅值仍然比“山體”和平地的小，因此造成了圖5d）中“海盆”在距離聲源56 km處傳播損失急劇增大的現(xiàn)象。

圖9 當接收點距離聲源56 km，入水深度為4 km時到達的本征聲線以及時間到達結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

本文通過BELLHOP模型仿真了深海聲道聲速梯度下“山體”、“海盆”和平地地形的聲傳播特性，并且對典型接收點入水深度500 m、3 km、4 km的傳播損失進行數(shù)據(jù)分析，并得出以下結(jié)論：

1）當接收點處于500 m時，由于山體表面對聲線的反射，在距離聲源30 km處形成了相當面積的會聚區(qū)，傳播損失相對于“海盆”和平坦地形的傳播損失減少10 dB左右；

2）當接收點處于3 km時，由于“山體”對聲線的阻擋，導致到達接收點的聲線密度減少，在距離聲源40 km附近生成了大面積的影區(qū)，并且傳播損失相對于“海盆”和平坦地形的傳播損失增大了30 dB左右；在距離聲源60 km處，相對于“海盆”地形，“山體”和平坦地形的傳播損失明顯減少30 dB左右。

3）當接收點處于4 km時，由于“海盆”地形對聲線的作用，改變了聲線傳播的路徑，造成在距離56 km處產(chǎn)生了小面積的影區(qū)，相對于“山體”和平坦地形的傳播損失明顯增大了30 dB左右。

本文對于上述深海地形下聲線傳播過程中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象，利用本征聲線的傳播和時間到達結(jié)構(gòu)進行解釋，為后期聲吶的使用和深海環(huán)境下的聲傳播研究提供重要的參考意義。