趙梅，胡長(zhǎng)青，屈科

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淺海海底單參數(shù)模型分析與研究

趙梅1,2，胡長(zhǎng)青1，屈科1,2

(1. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海 200032；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

介紹了單參數(shù)模型，提出以小掠射角下反射損失隨掠射角的變化率dB作為描述海底性質(zhì)的單參數(shù)，并分析研究了該海底單參數(shù)模型的適用性，分析得到，當(dāng)頻率不低于數(shù)十赫茲且海底沉積物類型屬于高聲速海底時(shí)，單參數(shù)模型可以用來(lái)描述海底性質(zhì)。還研究了海水聲速對(duì)于海底單參數(shù)模型描述水下聲場(chǎng)的適用性的影響，結(jié)果表明，當(dāng)海水聲速剖面可以近似等效為均勻水層時(shí)，可用海底單參數(shù)模型對(duì)水下聲場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào)應(yīng)用。

單參數(shù)模型；適用性；聲速剖面

0 引言

淺海環(huán)境中，海底聲學(xué)特性對(duì)聲傳播有著重要影響。對(duì)淺海海底聲學(xué)特性進(jìn)行研究，一直是海洋聲學(xué)、海洋地質(zhì)調(diào)查、海洋礦產(chǎn)資源等領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，對(duì)軍事應(yīng)用也有著十分重要的意義。近年來(lái)我們致力于淺海單參數(shù)海底模型的研究，提出用小掠射角下海底反射損失對(duì)掠射角的斜率dB(dB/rad)作為海底單參數(shù)來(lái)描述海底性質(zhì)。該單參數(shù)模型是在均勻液態(tài)高聲速海底反射損失機(jī)制基礎(chǔ)上進(jìn)行研究的[1]，將多個(gè)海底聲學(xué)參數(shù)擬合為單個(gè)參數(shù)，過(guò)程中進(jìn)行了合理的近似，因此需要對(duì)模型的適用性進(jìn)行進(jìn)一步分析和研究。

本文首先對(duì)淺海單參數(shù)模型進(jìn)行介紹，并對(duì)該模型的適用性進(jìn)行了分析，包括其適用的頻率范圍和海底沉積物類型。同時(shí)介紹了用單參數(shù)模型表示水下聲場(chǎng)的理論，該理論是在淺海屬于均勻水層的基礎(chǔ)上建立的，然而在實(shí)際運(yùn)用中，大部分聲場(chǎng)環(huán)境為非均勻淺海，若將其等效成均勻水層，該模型是否能很好地描述聲場(chǎng)，也是本文分析的一項(xiàng)內(nèi)容。

1 單參數(shù)模型適用性研究

1.1 單參數(shù)模型簡(jiǎn)介

根據(jù)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)中小掠射角下反射損失隨掠射角似線性增長(zhǎng)的規(guī)律，提出以小掠射角下反射損失隨掠射角的變化率dB(dB/rad)作為描述海底性質(zhì)的單參數(shù)。定義單參數(shù)dB與海底反射損失及掠射角的關(guān)系表示為：

以半無(wú)限大液態(tài)海底模型為基礎(chǔ)，用Hamilton吸收-頻率關(guān)系的、、液態(tài)海底的瑞利反射損失物理機(jī)制考慮海底基本參數(shù)壓縮波波速1、密度1以及衰減系數(shù)(dB/λ)之間相互耦合的關(guān)系，通過(guò)合理的數(shù)學(xué)近似，dB可以表示為[2]：

其中和是海底附近的海水聲速和密度。

1.2 單參數(shù)模型頻率適用范圍研究

單參數(shù)模型是基于液態(tài)高聲速海底模型[1]，如圖1所示。公式(2)的推導(dǎo)服從Hamilton吸收-頻率關(guān)系的、、液態(tài)海底的瑞利反射損失物理機(jī)制，若要該物理機(jī)制在很大程度上接近實(shí)際情況，需要把頻率范圍考慮得恰當(dāng)，限制其低頻下限。

圖1 海底反射模型

考慮該反射損失機(jī)制，對(duì)于分層結(jié)構(gòu)海底，海底反射損失可以表示為：

海底的深部分層結(jié)構(gòu)的影響將不明顯，此時(shí)反射損失可以由表層參數(shù)所描寫(xiě)的瑞利反射表示：

1.3 沉積物類型適用范圍研究

Hamilton把沉積層海底分為九類[3]，第九類為低速海底，反射機(jī)制與高速海底不同，故單參數(shù)模型不適用。其余八類海底屬“高聲速”海底，在小掠射角時(shí)，具有良好的反射性能，計(jì)算的瑞利反射損失結(jié)果如圖2所示，在小掠射角下瑞利反射損失隨掠射角線性增大。

圖2 八種高聲速海底反射損失隨掠射角變化

表1 八種沉積物參數(shù)

基于以上8種類型沉積物參數(shù)，利用單參數(shù)模型計(jì)算的傳播損失與全參數(shù)模型(海底密度、聲速和聲衰減)預(yù)報(bào)的傳播損失進(jìn)行比較，比較吻合。說(shuō)明以上8種類型均適用。圖3為細(xì)砂質(zhì)海底類型單參數(shù)與全參數(shù)預(yù)報(bào)傳播損失比較圖。

圖3 細(xì)砂質(zhì)均勻半無(wú)限液態(tài)海底模型中單參數(shù)與全參數(shù)預(yù)報(bào)傳播損失比較

2 單參數(shù)模型表示水下聲場(chǎng)的適用性分析

2.1 理論描述

基于平滑平均聲場(chǎng)理論進(jìn)行推導(dǎo)，得到用單參數(shù)模型表示水下聲場(chǎng)的公式。聲源聲強(qiáng)0在距離處的聲強(qiáng)的單參數(shù)表達(dá)式為[4]

如式(6)所示，波長(zhǎng)為一常數(shù)，因此計(jì)算波長(zhǎng)時(shí)只能使用海水平均聲速，即將海水視為等聲速剖面。在實(shí)際運(yùn)用中，大部分聲場(chǎng)環(huán)境并非均勻淺海，此時(shí)該理論是否適用，需先對(duì)其進(jìn)行分析。

2.2 海水聲速對(duì)于單參數(shù)模型表示水下聲場(chǎng)的影響

圖4 不同模型計(jì)算機(jī)仿真比較

實(shí)際運(yùn)用中，大部分聲場(chǎng)環(huán)境為非均勻淺海，尤其在負(fù)躍層條件下，聲源接收位置不同，聲傳播損失相差會(huì)很大，因此運(yùn)用單參數(shù)模型描述聲場(chǎng)時(shí)，需先分析聲場(chǎng)環(huán)境是否可等效成均勻水層。根據(jù)實(shí)驗(yàn)海域水聲環(huán)境，將海水聲速剖面簡(jiǎn)化為上下兩個(gè)均勻?qū)咏M成的理想躍層，如圖5(a)和5(b)所示，圖5為2008年中國(guó)北黃海實(shí)驗(yàn)中的聲速剖面環(huán)境及其簡(jiǎn)化情況，通過(guò)數(shù)值仿真，計(jì)算不同聲速剖面下的聲傳播衰減，研究上下兩個(gè)均勻?qū)勇曀僦瞀た梢砸暈椤叭踯S層”的極限范圍。在這種“弱躍層”條件下，預(yù)報(bào)的聲傳播衰減結(jié)果與等聲速剖面條件下的計(jì)算結(jié)果比較接近。

圖5 (a)北黃海實(shí)驗(yàn)聲速剖面(b)簡(jiǎn)化的聲速剖面

聲源深度取實(shí)驗(yàn)中實(shí)際爆炸時(shí)的聲源深度() 25 m，圖6和圖7分別為在圖5的仿真環(huán)境條件下，接收深度()為20 m和50 m時(shí)，不同Δ條件下計(jì)算出的海底聲傳播損失。從圖6和圖7可以看出，接收位置位于躍層上方時(shí)，Δ不超過(guò)6 m/s，預(yù)報(bào)的聲傳播衰減結(jié)果與等聲速剖面條件下的計(jì)算結(jié)果比較接近，接收位置位于躍層下方時(shí)，Δ不超過(guò)3m/s，預(yù)報(bào)的聲傳播衰減結(jié)果與等聲速剖面下的計(jì)算結(jié)果比較接近。在這種Δ不超過(guò)6 m/s和3 m/s的“弱躍層”條件下，單參數(shù)模型可以很好地描述水下聲場(chǎng)。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)海域聲速剖面為“弱躍層”，即可近似為等聲速剖面時(shí)，還需選取適當(dāng)?shù)牡刃曀僮鳛橛?jì)算參數(shù)。

圖6 上發(fā)上收，不同聲速剖面下的聲傳播衰減曲線

圖7 上發(fā)下收，不同聲速剖面下的聲傳播衰減曲線

圖8 單參數(shù)對(duì)海水聲速的敏感度

圖8為根據(jù)公式(2)計(jì)算的單參數(shù)對(duì)于海底附近海水聲速的敏感度，該圖亦反映了均勻淺海條件下頻率為1 kHz時(shí)單參數(shù)對(duì)海水聲速的敏感度。從該圖可以看出，均勻淺海條件下，海底單參數(shù)對(duì)海水聲速的敏感度不大。

分別取北黃海實(shí)驗(yàn)海域海面附近(等聲速剖面1)和海底附近(等聲速剖面2)的聲速作為等聲速剖面的等效聲速值，與實(shí)際躍層聲速剖面計(jì)算的聲傳播損失進(jìn)行比較。圖9和圖10分別為北黃海實(shí)驗(yàn)中，中心頻率為200 Hz，接收深度分別為20 m和50 m時(shí)三種不同聲速剖面數(shù)值計(jì)算的聲傳播衰減對(duì)比圖。圖9可以看出，三種不同聲速剖面下計(jì)算出的傳播衰減曲線比較接近，等效聲速選擇最大聲速(海面附近)和最小聲速(海底附近)時(shí)對(duì)于聲場(chǎng)預(yù)報(bào)的影響很小。此時(shí)，北黃海的海水聲速剖面可近似看作等聲速，且等效聲速的選取不影響聲場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果，可選取聲速剖面上任意一值作為等效聲速。圖10中實(shí)際躍層聲速剖面計(jì)算的聲傳播損失與等聲速層的計(jì)算結(jié)果最大可相差5 dB，原因是接收位置位于躍層下方時(shí)，實(shí)際聲速剖面上下躍層聲速差超過(guò)了3 m/s的極限，近似“弱躍層”的效果稍差。

圖9 上發(fā)上收，不同聲速剖面下的聲傳播衰減曲線

圖10 上發(fā)下收，不同聲速剖面下的聲傳播衰減曲線

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)頻率高于數(shù)十赫茲時(shí)密度變化可以忽略，此時(shí)，Hamilton吸收-頻率關(guān)系的、、液態(tài)海底的瑞利反射損失物理機(jī)制，在很大程度上接近實(shí)際情況，可采用單參數(shù)模型描述海底性質(zhì)；

(2) Hamilton劃分的九類沉積層海底，第九類為低速海底，其余八類海底屬“高聲速”海底，在小掠射角時(shí)，具有良好的反射性能，可運(yùn)用單參數(shù)模型進(jìn)行描述。

(3) 當(dāng)海水聲速剖面取等聲速時(shí)，用單參數(shù)模型可以準(zhǔn)確地描述水下聲場(chǎng)。實(shí)際運(yùn)用中，大部分聲場(chǎng)環(huán)境為非均勻淺海，當(dāng)其可以等效成均勻水層，即該聲速剖面屬于“弱躍層”時(shí)，可用單參數(shù)描述水下聲場(chǎng)的公式進(jìn)行聲場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)。此時(shí)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，等效聲速的選取對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果的影響不大。

[1] 汪德昭, 尚爾昌. 水聲學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1981: 175-261.

WANG Dezhao, SHANG Erchang. Underwater acoustics[M]. Beijing: Science Press, 1981: 175-261.

[2] 屈科, 胡長(zhǎng)青, 趙梅. 淺海海底單參數(shù)快速反演模型研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2011, 31(2): 152-155.

QU Ke, HU Changqing, ZHAO Mei. Single parameter rapid inversion model of shallow water[J]. Technical Acoustics, 2011, 31(2): 152-155.

[3] Hamilton E L. Geoacoustic modeling of the seafloor[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1980, 68(5): 1313-1340.

[4] 屈科, 趙梅, 胡長(zhǎng)青. 淺海海底特性及單參數(shù)反演研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2011, 30(3): 100-102.

QU Ke, ZHAO Mei, HU Changqing. Study on shallow water seabed characteristic and single parameter inversion[J]. Technical Acoustics, 2011, 30(3): 100-102.

Analysis of single parameter seabed model in shallow water

ZHAO Mei1,2, HU Chang-qing1, QU Ke1,2

(1. Shanghai Acoustic Laboratory, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200032, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

A single parameter seabed model is introduced in this paper, the slope of bottom loss versus grazing angle FdB(dB/radian) is proposed as the single parameter to describe the characteristics of sea bottom. The suitability of the single parameter seabed model is discussed. The single parameter model could be applied to describe the properties of high speed seabed when the frequency is more than tens of Hertz. The model’s applicability for underwater acoustic field prediction is also analyzed. The results show that when the sound speed profile could be equivalent to the homogeneous profile, the single parameter seabed model can be applied to predicting the underwater acoustic field.

single parameter seabed model; suitability; sound speed profile

TB566

A

1000-3630(2014)-06-0494-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.003

2014-06-24;

2014-09-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11174323)。

趙梅(1984－), 女, 江蘇泰興人, 博士研究生, 研究方向?yàn)樗曃锢怼?/p>

趙梅, E-mail: zhaomei@mail.ioa.ac.cn