海底地聲參數(shù)對淺海低頻聲傳播的影響

顏 冰 龔沈光 周 偉
海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033

用分層介質(zhì)中點(diǎn)聲源激發(fā)聲場的積分表示法得到海水中聲源外任意一點(diǎn)的聲場表達(dá)式，用波數(shù)積分的數(shù)值計算方法得到聲場傳播在距離上的傳播損失，針對不同的海底沉積物參數(shù)進(jìn)行了聲場的仿真計算和分析，得出淺海低頻聲傳播的基本規(guī)律和特點(diǎn)。

沉積物 傳播損失 切變波 波數(shù)積分

在淺海波導(dǎo)中，聲波與海底相互作用以及海底聲學(xué)參數(shù)的反演等問題，一直是聲學(xué)及海洋學(xué)工作者所關(guān)注的研究課題。由于淺海聲通過海底—海面反射路徑傳播的特點(diǎn)，海底的結(jié)構(gòu)對聲傳播的影響就變得極為重要了。特別是對建立淺海低頻聲傳播模型［1］來說，由于海底沉積物聲學(xué)特性［2］的不同，在傳播中出現(xiàn)的模式頻率截止，傳播干涉和切變波效應(yīng)［3］所帶來的模式泄漏及地震界面波的激發(fā)等現(xiàn)象，都會對淺海低頻聲傳播產(chǎn)生重要的影響。因此，對于海底沉積物聲學(xué)特性對淺海低頻聲傳播影響問題的探討具有重要的研究價值。

針對不同的傳播問題，海洋學(xué)家們也研究和建立了多種聲場計算數(shù)值模型［4-5］。對于在淺海由海面、海水及海底沉積物組成的層狀結(jié)構(gòu)中的聲傳播模型而言，由簡正波理論，海水中的聲場可以近似用幾個簡正波的疊加來表示。但彈性切變海底中，沉積物切變波聲學(xué)參數(shù)的引入時，負(fù)極點(diǎn)的出現(xiàn)使得問題變得十分復(fù)雜。而通過從點(diǎn)聲源激發(fā)聲場的積分表達(dá)式出發(fā)，用數(shù)值積分方法來計算聲場就能夠較為有效的使問題得到簡化。

1 理論推導(dǎo)

淺海分層海洋環(huán)境下的聲場可以通過如下方法進(jìn)行描述。聲源在均勻分層環(huán)境中沿垂直軸分布時，采用柱坐標(biāo)系（r，φ，z），并讓圖1中z軸通

圖1 水平分層的環(huán)境

過聲源，則聲場將與方位角φ無關(guān)。對于各項同性介質(zhì)，含有聲源的第m層中具有時間關(guān)系exp（—iωt）的聲場可以用標(biāo)量位移勢ψ（r，z）表示，位移勢滿足Helmoltz方程

式中：km（z）——第m層的介質(zhì)波數(shù)，

對于不含聲源的層，聲場必須滿足Helmoltz方程，其中fs（z，ω）＝0。式（1）得到深度分離的波動方程

因此，與深度有關(guān)的格林函數(shù)為

式中：A+m（kr），A—m（kr）——任意系數(shù)，由分界面上的邊界條件確定。

2 淺海中低頻聲場的數(shù)值計算

為了有效的分析海底沉積物不同聲學(xué)參數(shù)對淺海聲傳播的影響，文中根據(jù)海底沉積物典型的波速、密度和衰減系數(shù)按本文理論對比計算了淺海低頻聲傳播曲線圖。假設(shè)海水參數(shù)是固定的，即海水壓縮波聲速為1 500 m／s，密度1 000 kg／m3，海水深度為50 m。

圖2 低頻聲傳播在海底沉積層不同壓縮波速下的傳播損失圖

圖2所示沉積物壓縮波速cp對淺海低頻聲傳播的影響。圖示海底模型（M1）計算假設(shè)沉積物厚度為20．0 m，壓縮波衰減系數(shù)αp為0．5 dB／λ，切變波波速cs為300 m／s，切變波衰減系數(shù)αs為1．5 dB／λ，密度ρ為1 800 kg／m3?；讐嚎s波速為3 000 m／s，壓縮波衰減系數(shù)αp為0．3 dB／λ，切變波波速cs為1 400 m／s，切變波衰減系數(shù)αp為0．5 dB／λ，密度ρ為2 100 kg／m3。并將聲源置于水深（zs）10．0 m處，聲源頻率為30．0 Hz，接收器置于水深（zr）49．0 m處。由圖2可見，沉積物壓縮波速是對淺海低頻聲傳播有重要影響的聲學(xué)參數(shù)。具體而言，隨著沉積物壓縮波速越低，引起的損失就越大。一般的說，沉積物的壓縮波速對于淺海聲傳播來說，是最重要的聲學(xué)參數(shù)。

圖3 低頻聲傳播在海底沉積層不同壓縮波衰減系數(shù)下的傳播損失圖

圖3所示沉積物壓縮波衰減系數(shù)αp對淺海低頻聲傳播的影響。圖3中海底參數(shù)模型（M2）計算沿用上述模型（M1）所用的海底參數(shù)，并確定沉積物壓縮波速為1 650 m／s。對于波數(shù)積分來說，衰減系數(shù)的引入實(shí)際上是個優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗鼓Ｊ降钠纥c(diǎn)從實(shí)數(shù)積分軸上消除了，能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)報由傳播波數(shù)實(shí)部的變化引起的干涉圖案的變化。圖3可看出，在遠(yuǎn)距離上對低頻聲傳播的干涉效應(yīng)有較明顯的影響。因此，對建立淺海遠(yuǎn)程傳播來說，壓縮波衰減系數(shù)也是極為重要的地聲參數(shù)。

圖4 低頻聲傳播在海底沉積層不同密度下的傳播損失圖

圖4所示沉積物密度ρ為對淺海低頻聲傳播的影響。圖中海底參數(shù)模型（M2）計算沿用上述模型（M1）所用的海底參數(shù)，并確定沉積物壓縮波衰減系數(shù)αp為0．5 dB／λ。從圖4可以看出，沉積物的密度不同，對淺海低頻聲傳播的影響較小，特別是對淺海遠(yuǎn)程聲傳播來說，海底沉積物密度的變化并不重要。

圖5 低頻聲傳播在海底沉積層不同切變波速下的傳播損失圖

圖5所示沉積物切變波波速cs為對淺海低頻聲傳播的影響。圖中海底參數(shù)模型（M3）計算沿用模型（M2）所用的海底參數(shù)，并確定沉積物密度ρ為1 800 kg／m3。由圖5可以看出，沉積物切變波速的變化對淺海低頻聲傳播的影響十分的明顯?？梢宰C明，當(dāng)切變波速較小時，對淺海低頻聲傳播的影響很小，而隨著切變波速的增大，切變波在海底中傳播，因而能量將從海水波導(dǎo)中泄漏出去，從而對聲傳播產(chǎn)生較大的影響。

圖6 不同沉積物切變波速下的格林函數(shù)幅值

為了更好的說明沉積物切變波效應(yīng)對淺海低頻聲傳播的影響，將聲源置于水深（zs）45．0 m，接收器置于水深（zr）48．0 m處，計算對比在有無沉積物切變波下的格林函數(shù)幅值，見圖6。

由圖6可以看出，切變波效應(yīng)是在海水中聲場為漸消聲場以及海底中壓縮波和切變波均為漸消波的那部分譜中有一個附加極點(diǎn)（kr＝0．35 m—1）。可以證明，對于傳播波數(shù)略大于切變波數(shù)的彈性海底沉積層，這一極點(diǎn)總是存在的。與這一極點(diǎn)對應(yīng)的是一個附加的傳播模式，即地震界面波。因這一模式無論在海底還是在海水中都是漸消的，故它的效應(yīng)在靠近海底-海面處最為明顯。

圖7 低頻聲傳播在海底沉積層不同切變波衰減系數(shù)下的傳播損失圖

圖7所示沉積物切變波衰減系數(shù)αs對淺海低頻聲傳播的影響。圖中海底參數(shù)模型（M4）計算沿用模型（M3）所用的海底參數(shù)，并修改沉積物切變波波速cs為300 m／s。由圖7可以看出，當(dāng)沉積物波速較低時，這個參數(shù)對淺海低頻聲傳播的影響可以忽略。但可以證明，當(dāng)切變波數(shù)高于海水中的聲速時，該參數(shù)也會對傳播產(chǎn)生重要的影響。

3 結(jié)論

1）沉積物cp在任何情況下都是影響低頻聲傳播的聲學(xué)參數(shù)。而沉積物αp對于建立淺海遠(yuǎn)場聲傳播來說，具有相對重要的影響。

2）對于傳播模式很少的低頻淺海聲傳播來說，由于沉積物cs的影響，在聲場解中計入泄漏模式至為重要。并對cs較大的沉積物所引起切變波效應(yīng)對淺海低頻聲傳播影響很大。而對于大多數(shù)切變波速較小的沉積物而言，αs對聲傳播的影響可以忽略。

3）沉積物密度對淺海遠(yuǎn)程低頻聲傳播來說，影響很小。

參考文獻(xiàn)

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Effects of sediment on the low frequency acoustic wave propagation in shallow water

YAN Bing GONGShen-guang ZHOU Wei
Dept．of Weapon Engineering Naval University of Engineering Wuhan 430033

A model of sediment′s acoustic parameters which have badly influence on the propagation of acoustic wave in shallow water was presented．Applying the theory of acoustic wave propagation and wave-number integration method of acoustic field in simulation of the transmission loss of the low frequency acoustic wave propagation in shallow water，the paper analyzed the influence of sediment upon the acoustic wave propagation，and summarized the basic regulation and features of the low frequency acoustic wave propagation in shallow water．

sediment transmission loss shear wave wave-number integration

P733．21

A

1671-7953（2007）02-0061-04

2006-09-13

修回日期2006-10-26

顏 冰（1963—），女，碩士，副教授。