王夢(mèng)圓，李整林，秦繼興，吳雙林，王光旭

(1.中國(guó)科學(xué)院 聲學(xué)研究所 聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

聲場(chǎng)水平相關(guān)特性描述了水平方向上具有一定間距兩個(gè)接收點(diǎn)處接收信號(hào)的相似程度。在實(shí)際海洋環(huán)境中，海水介質(zhì)的隨機(jī)不均勻性和多途干涉效應(yīng)會(huì)使聲場(chǎng)的水平相關(guān)性降低，進(jìn)而影響陣列信號(hào)處理增益和對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)性能。因此，聲場(chǎng)水平相關(guān)特性一直是國(guó)內(nèi)外海洋聲學(xué)工作者的重要研究?jī)?nèi)容。

Wille等[1]研究了淺海水平橫向相關(guān)長(zhǎng)度與聲信號(hào)頻率的關(guān)系，結(jié)果表明淺海水平橫向相關(guān)長(zhǎng)度隨信號(hào)頻率的增大而減小。Carey[2]對(duì)深海聲場(chǎng)和淺海聲場(chǎng)的水平橫向相關(guān)半徑進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)深海傳播距離是淺海的10倍時(shí)，深海橫向相干半徑至少是淺海橫向相干半徑的3倍。Gorodetskaya等[3]通過(guò)數(shù)值仿真研究了深海遠(yuǎn)距離聲場(chǎng)水平相關(guān)性對(duì)水平陣處理增益的影響，研究發(fā)現(xiàn)粗糙海面散射效應(yīng)對(duì)聲場(chǎng)相關(guān)性影響較大。Colosi等[4]仿真分析了菲律賓海深海環(huán)境下聲場(chǎng)相干性問(wèn)題，研究發(fā)現(xiàn)聲場(chǎng)的水平縱向相干半徑與頻率的負(fù)1次冪和距離的負(fù)1/2次冪呈正比。尚爾昌[5]分析了隨機(jī)淺海信道中聲場(chǎng)橫向相干理論，推導(dǎo)了環(huán)境變化對(duì)聲信號(hào)水平橫向相關(guān)性影響的解析表達(dá)式。Wang等[6]研究了多途干涉和聲散射對(duì)淺海聲場(chǎng)水平相關(guān)性和垂直相關(guān)性的影響，結(jié)果表明在淺海中長(zhǎng)距離處水平縱向相關(guān)半徑大于垂直相關(guān)半徑。Zhu等[7]利用簡(jiǎn)正波和射線理論分析了淺海聲場(chǎng)的水平橫向相關(guān)特性。李秀林等[8-9]利用光纖陣列接收到的氣槍信號(hào)分析了淺海聲場(chǎng)水平相關(guān)性，并利用聲場(chǎng)的水平相關(guān)性反演海底參數(shù)。蘇曉星等[10]和Zhang等[11]研究了淺海聲場(chǎng)的水平縱向相關(guān)性頻移補(bǔ)償方法。

近年來(lái)水聲工作者開(kāi)展了較多的深海聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)深海聲場(chǎng)水平相關(guān)性的研究也逐漸加強(qiáng)。Li等[12-13]使用一次南海深海聲傳播實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了180 km范圍內(nèi)1 800 m以淺深度的聲場(chǎng)水平相關(guān)性，結(jié)果表明深海聲場(chǎng)空間相關(guān)系數(shù)的分布與傳播損失空間分布基本一致。王域等[14]研究了深海聲場(chǎng)水平相關(guān)半徑對(duì)被動(dòng)合成孔徑性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在深海會(huì)聚區(qū)內(nèi)聲場(chǎng)水平相關(guān)半徑較大，被動(dòng)合成孔徑的探測(cè)性能相對(duì)常規(guī)物理孔徑基陣有明顯改善。另外，Hu等[15]研究了南海深海復(fù)雜地形環(huán)境下的聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)特性，Yang等[16]研究了西太平洋深海環(huán)境中的聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)性。

通常聲場(chǎng)水平相關(guān)性是水平橫向相關(guān)和水平縱向相關(guān)的疊加，但水平陣的性能主要受限于聲場(chǎng)的水平縱向相關(guān)性。

本文主要研究聲場(chǎng)的水平縱向相關(guān)性。利用2016年冬季南海一次深海不完全聲道實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值仿真分析深海大深度聲場(chǎng)的水平縱向相關(guān)特性，并根據(jù)射線理論對(duì)深海直達(dá)聲區(qū)聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)進(jìn)行理論推導(dǎo)，研究結(jié)果對(duì)深海海底水平陣設(shè)計(jì)和深海水聲目標(biāo)探測(cè)具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)概況

2016年11月，某實(shí)驗(yàn)室在中國(guó)南海深海進(jìn)行了一次深海聲傳播實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用單船(“實(shí)驗(yàn)1號(hào)”)結(jié)合潛標(biāo)的方式，實(shí)驗(yàn)設(shè)備布放示意圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中船速約為4 kn.實(shí)驗(yàn)采用18元的潛標(biāo)垂直陣，非等間隔地布放在99～4 152 m深度范圍內(nèi)，接收水聽(tīng)器的采樣率為16 kHz，其中布放在4 152 m深度處水聽(tīng)器的靈敏度為-180 dB，其他深度處為-170 dB.圖1中，XCTD為拋棄式溫鹽深儀。聲源為拖曳換能器發(fā)射的雙曲調(diào)頻信號(hào)，聲源級(jí)為193 dB，中心頻率為300 Hz，帶寬為100 Hz.

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備布放示意圖

發(fā)射信號(hào)的時(shí)間序列如圖2所示，單個(gè)信號(hào)時(shí)長(zhǎng)20 s，相鄰兩個(gè)信號(hào)間隔20 s，每4個(gè)信號(hào)為一組，間隔50 s發(fā)射下一組信號(hào)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拖曳聲源的平均深度約為120 m，最遠(yuǎn)發(fā)射距離為182 km.“實(shí)驗(yàn)1號(hào)”由遠(yuǎn)及近駛向垂直接收陣，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中海深變化如圖3所示，可見(jiàn)在30 km距離內(nèi)海底較為平坦，平均海深約為4 312 m.實(shí)驗(yàn)中用XCTD在站點(diǎn)處測(cè)量的聲速剖面如圖4所示，可以看出聲道軸大約位于1 151 m深度處，聲道軸處聲速為1 484 m/s，海面處聲速為1 540 m/s，海底處聲速為1 533 m/s，小于海面處聲速，為典型的深海不完全聲道。

圖2 發(fā)射雙曲調(diào)頻信號(hào)的時(shí)間序列

圖3 聲傳播方向上的海深

圖4 實(shí)驗(yàn)期間用XCTD測(cè)量的海水聲速剖面

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

假設(shè)聲源發(fā)射的雙曲調(diào)頻信號(hào)為s(t)，則接收水聽(tīng)器接收到的信號(hào)sr(t)可表示為

(1)

式中：S(ω)為s(t)的頻譜，ω為角頻率，t為時(shí)間；P(r,z;ω)為聲源到接收器的水聲信道的傳輸函數(shù)，r為水平距離，z為深度。數(shù)據(jù)處理先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮提高信噪比，得到脈沖壓縮后的信號(hào)為

(2)

然后對(duì)sc(t)作傅里葉變換，得到頻譜Xi，將Xi在發(fā)射信號(hào)帶寬(100 Hz)內(nèi)取平均值，得到接收信號(hào)經(jīng)脈沖壓縮后的平均能量為

(3)

式中：f0為發(fā)射信號(hào)的中心頻率；Fs為采樣率；fu和fd分別為發(fā)射信號(hào)頻率的上、下限；nfu和nfd為頻點(diǎn)數(shù)。則接收聲信號(hào)的傳播損失為

TL(f0|(r,z))=SL(f0)-(10lg[E(f0)]-Mv-Ec)，

(4)

式中：SL(f0)為發(fā)射換能器聲源級(jí)；Mv為接收水聽(tīng)器的靈敏度；Ec為脈沖壓縮的時(shí)間帶寬增益。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程對(duì)接收到的實(shí)驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行處理，得到接收深度為4 152 m時(shí)的聲傳播損失，如圖5中紅色點(diǎn)線所示。使用拋物線方程近似聲場(chǎng)模型(RAM-PE)[17]，根據(jù)互易原理計(jì)算聲傳播損失，仿真時(shí)聲源深度為4 152 m，接收深度為120 m，頻帶范圍與實(shí)驗(yàn)中的發(fā)射信號(hào)一致，為250～350 Hz，選取21個(gè)頻點(diǎn)。仿真時(shí)采用的聲速剖面如圖4所示，海底參數(shù)選取如下：聲速1 565 m/s，密度1.6 g/cm3，吸收系數(shù)0.3 dB/λ[18].圖5給出了接收深度為4 152 m時(shí)聲傳播損失仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可以看出傳播損失實(shí)驗(yàn)值與仿真值符合較好。圖6給出了RAM-PE計(jì)算的二維聲傳播損失圖，可以看出隨著接收深度變大，直達(dá)聲區(qū)的水平寬度變寬，當(dāng)接收深度為4 152 m時(shí)，直達(dá)聲區(qū)的水平寬度可達(dá)到30 km，而且在30 km內(nèi)的聲傳播損失皆小于83 dB，有利于水下目標(biāo)探測(cè)。但為了提高對(duì)水下弱目標(biāo)的探測(cè)能力，往往需要設(shè)計(jì)水平陣列獲取較高的增益，而聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)性是設(shè)計(jì)水平陣的重要參數(shù)，因此第3節(jié)將重點(diǎn)研究深海直達(dá)聲區(qū)大深度聲場(chǎng)的水平縱向相關(guān)特性。

圖5 接收深度為4 152 m時(shí)傳播損失仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖6 RAM-PE仿真的二維傳播損失

3 大深度聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)

3.1 聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)定義

聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)是指在同一接收深度處，沿聲傳播方向上不同水平距離r處接收信號(hào)之間的歸一化互相關(guān)系數(shù)，可表示為

(5)

式中：pr(t)和pr+Δr(t+τ)表示不同水平距離處接收信號(hào)的時(shí)域聲壓值，Δr為水平縱向間隔，τ為時(shí)延。經(jīng)過(guò)傅里葉變換后，得到水平相關(guān)系數(shù)的頻域表達(dá)式為

ρ(Δr)=

(6)

3.2 仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用拋物方程模型RAM-PE對(duì)直達(dá)聲區(qū)30 km內(nèi)接收深度為4 152 m時(shí)的聲信號(hào)進(jìn)行仿真，聲源深度120 m.仿真時(shí)用的聲速剖面和海底參數(shù)與圖6的數(shù)值計(jì)算一致，頻帶范圍仍為250～350 Hz，選取501個(gè)頻點(diǎn)，頻點(diǎn)間隔為0.2 Hz，仿真信號(hào)時(shí)長(zhǎng)5 s.根據(jù)(6)式計(jì)算的聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)二維圖如圖7所示，水平參考距離從1 km變化到100 km，覆蓋大深度聲場(chǎng)的直達(dá)聲區(qū)、影區(qū)和會(huì)聚區(qū)，水平縱向間隔步長(zhǎng)為10 m，最大水平縱向間隔為1 000 m.對(duì)比圖7和圖6可以看出，大深度聲場(chǎng)的水平縱向相關(guān)系數(shù)與聲能量不呈正相關(guān)的關(guān)系，換言之，并不是聲能量大的區(qū)域相關(guān)系數(shù)就高。另外由圖7可以看出，大深度直達(dá)聲區(qū)聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)隨縱向間隔的增加存在明顯的振蕩結(jié)構(gòu)。圖8給出了參考水平距離為10 km和29 km時(shí)水平縱向相關(guān)系數(shù)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比。由圖8可以看出：仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為符合；在直達(dá)聲區(qū)，遠(yuǎn)距離29 km處的聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)半徑明顯大于近距離10 km處的聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)半徑。圖9給出了直達(dá)聲區(qū)大深度聲場(chǎng)頻率距離二維分布圖，聲場(chǎng)的大小用傳播損失表征(dB)。由圖9可以看出：直達(dá)聲區(qū)大深度聲場(chǎng)存在明顯的干涉結(jié)構(gòu)，因此導(dǎo)致聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)存在周期性的振蕩結(jié)構(gòu)；當(dāng)兩個(gè)距離處的聲場(chǎng)存在相同的干涉特性時(shí)，聲場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大，反之聲場(chǎng)相關(guān)系數(shù)降到最小。

圖7 水平縱向相關(guān)系數(shù)隨水平參考距離和縱向間隔變化的二維圖

圖8 不同水平距離下水平縱向相關(guān)系數(shù)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖9 直達(dá)聲區(qū)大深度聲場(chǎng)頻率-距離二維圖

4 直達(dá)聲區(qū)水平縱向相關(guān)特性分析

為了進(jìn)一步分析深海直達(dá)聲區(qū)大深度聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)特性，通過(guò)理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真研究不同聲源頻率、不同聲源深度和不同接收深度下直達(dá)聲區(qū)大深度聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)特性。

4.1 理論分析

深海直達(dá)聲區(qū)聲場(chǎng)主要由直達(dá)波和海面反射波組成，假設(shè)直達(dá)波與海面反射波幅值近似相等，則距離為r、接收深度為z處的聲強(qiáng)[16]可表示為

|p(r,z,ω)|2=2A2[1-cos(ωΔtr)]，

(7)

式中：A為直達(dá)波和海面反射波的幅度；Δtr為距離r處直達(dá)波與海面反射波的到達(dá)時(shí)間差。若不考慮直達(dá)波和海面反射波的幅值隨頻率的變化，則水平縱向相關(guān)系數(shù)[16]可以表示為

(8)

式中：ω0為發(fā)射信號(hào)中心角頻率，ω0=2πf0；Δtr+Δr為距離r+Δr處直達(dá)波與海面反射波的到達(dá)時(shí)間差。

為了簡(jiǎn)化推導(dǎo)，假設(shè)聲線直線傳播，聲源和接收器的相對(duì)位置如圖10所示。圖10中，s是聲源，s′是虛源。則Δtr可表示為

圖10 聲源與接收器相對(duì)位置示意圖

(9)

式中：zs表示聲源深度；zr表示接收深度；c0表示聲源到海面間的平均聲速。

(9)式求導(dǎo)，可得到Δtr-Δtr+Δr的表達(dá)式為

(10)

(10)式代入(8)式，可得

ρ(r,r+Δr,ω)=

(11)

由(11)式可以得出結(jié)論：深海直達(dá)聲區(qū)水平縱向相關(guān)系數(shù)存在周期性的振蕩結(jié)構(gòu)，振蕩周期隨發(fā)射信號(hào)中心頻率f0的增大而減小。

4.2 仿真分析

4.2.1 聲源頻率變化對(duì)深海直達(dá)聲區(qū)大深度聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)性的影響

仿真時(shí)聲源深度為120 m，接收深度為4 152 m，聲源中心頻率分別取50 Hz、100 Hz和300 Hz，帶寬取1/3倍頻程，最大水平縱向間隔為2 km，得到的聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)二維圖如圖11所示。由圖11可以看出，聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)存在振蕩結(jié)構(gòu)，而且當(dāng)聲源深度和接收深度不變時(shí)，聲源頻率增大導(dǎo)致聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)的振蕩周期減小，與4.1節(jié)中的理論分析結(jié)果一致。由于第1個(gè)振蕩周期的大小決定了不同參考距離處聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)半徑的大小，可以看出當(dāng)聲源深度和接收深度不變時(shí)，聲源中心頻率越大，聲場(chǎng)的水平縱向相關(guān)半徑越小。

圖11 不同中心頻率下聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)二維圖

為了進(jìn)一步分析聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)半徑隨聲源頻率變化的原因，圖12給出了RAM-PE仿真的聲源深度為120 m以及聲源中心頻率分別取50 Hz、100 Hz和300 Hz時(shí)聲場(chǎng)的傳播損失二維圖，仿真時(shí)聲速剖面和海底底質(zhì)參數(shù)的選取與圖6相同，圖中黑色虛線為接收深度為4 152 m處，可以看出直達(dá)聲區(qū)聲場(chǎng)存在干涉結(jié)構(gòu)。對(duì)比圖12(a)、圖12(b)和圖12(c)可以看出，隨著聲源頻率增大，直達(dá)聲區(qū)聲場(chǎng)干涉條紋個(gè)數(shù)增多，條紋寬度變窄。對(duì)比圖12和圖11可以看出，聲場(chǎng)干涉條紋個(gè)數(shù)越多，水平縱向相關(guān)系數(shù)的振蕩周期越多。圖13給出了圖12(a)、圖12(b)和圖12(c)中黑色虛線處的聲傳播損失對(duì)比圖。由圖13可以看出，同一參考距離處，聲源頻率越高，聲場(chǎng)傳播損失的振蕩周期越小，對(duì)應(yīng)圖10中的聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)半徑越小，表明直達(dá)聲區(qū)聲場(chǎng)相關(guān)半徑的大小與聲場(chǎng)傳播損失的振蕩周期大小一致，傳播損失振蕩周期越大，聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)半徑越大。

圖13 不同中心頻率下聲場(chǎng)傳播損失對(duì)比

4.2.2 聲源中心頻率和接收深度一定時(shí)不同聲源深度下聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)

仿真時(shí)聲源頻率為100 Hz，接收深度為4 152 m，最大水平縱向間隔為2 km，聲源深度分別取7 m、200 m和300 m，得到的聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)二維圖分別如圖14(a)、圖14(b)和圖14(c)所示。對(duì)比圖14(a)、圖14(b)、圖14(c)可知，當(dāng)聲源頻率和接收深度一定時(shí)，聲場(chǎng)在近距離15 km內(nèi)的水平縱向相關(guān)半徑隨聲源深度變大而減小。

圖14 不同聲源深度條件下聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)二維圖

為了進(jìn)一步分析聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)半徑隨聲源深度變化的原因，圖15給出了RAM-PE仿真的聲源頻率為100 Hz時(shí)，聲源深度分別取7 m、200 m和300 m時(shí)聲場(chǎng)的傳播損失二維圖，仿真時(shí)聲速剖面和海底底質(zhì)參數(shù)的選取與圖6相同，圖中黑色虛線為接收深度為4 152 m處。由圖15(a)可以看出，當(dāng)聲源深度為7 m、接收深度為4 152 m時(shí)，直達(dá)聲區(qū)的水平寬度約為15 km，在15 km以內(nèi)聲場(chǎng)的干涉結(jié)構(gòu)不明顯，對(duì)應(yīng)圖14(a)中聲場(chǎng)的水平相關(guān)半徑較大；而在15 km后為非直達(dá)聲區(qū)，接收器接收到較多經(jīng)海底海面反射的能量，聲場(chǎng)存在明顯的干涉結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致圖14(a)中聲場(chǎng)的水平縱向相關(guān)系數(shù)存在干涉結(jié)構(gòu)。對(duì)比圖15(a)、圖15(b)和圖15(c)可以看出，隨著聲源深度的增大，直達(dá)聲區(qū)聲場(chǎng)干涉條紋的個(gè)數(shù)增多，條紋寬度變窄。對(duì)比圖15和圖14可以看出，聲場(chǎng)干涉條紋個(gè)數(shù)越多，水平縱向相關(guān)系數(shù)的振蕩周期越多。圖16給出了圖15(a)、圖15(b)和圖15(c)中黑色虛線處的聲傳播損失對(duì)比圖，由圖16可以看出，在深海直達(dá)聲區(qū)范圍內(nèi)，對(duì)于同一參考距離，聲源深度越大，聲場(chǎng)傳播損失的振蕩周期越小，對(duì)應(yīng)圖14中的聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)半徑越小，說(shuō)明直達(dá)聲區(qū)聲場(chǎng)相關(guān)半徑的大小與聲場(chǎng)傳播損失的振蕩周期大小一致，與前面的也分析一致。

圖15 不同聲源深度條件下聲場(chǎng)傳播損失二維圖

圖16 不同聲源深度條件下聲場(chǎng)傳播損失對(duì)比

4.2.3 接收深度變化對(duì)深海直達(dá)聲區(qū)大深度聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)性的影響

仿真時(shí)聲源中心頻率為50 Hz，聲源深度為300 m，接收深度分別為4 000 m、4 100 m、和4 250 m，得到水平縱向相關(guān)系數(shù)二維圖如圖17所示。對(duì)比圖17(a)、圖17(b)和圖17(c)可以看出：接收深度的增大對(duì)直達(dá)聲區(qū)近距離處聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)的振蕩結(jié)構(gòu)影響不大；隨著接收深度變深，直達(dá)聲區(qū)遠(yuǎn)距離處聲場(chǎng)的水平縱向相關(guān)半徑變大。

為了進(jìn)一步分析聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)半徑隨聲源深度變化的原因，圖18給出了RAM-PE仿真的聲源頻率為50 Hz、聲源深度為120 m時(shí)聲場(chǎng)的傳播損失二維圖，仿真時(shí)聲速剖面和海底底質(zhì)參數(shù)的選取與圖6相同。圖19給出了圖18中接收深度為4 000 m、4 100 m和4 250 m處的聲傳播損失對(duì)比。由圖19可以看出：在直達(dá)聲區(qū)近距離處，對(duì)于同一參考距離，接收深度變大，聲場(chǎng)傳播損失的振蕩周期并未發(fā)生明顯變化；在直達(dá)聲區(qū)遠(yuǎn)距離處，接收深度變深，聲場(chǎng)傳播損失的振蕩周期變大，對(duì)應(yīng)圖17中聲場(chǎng)的水平縱向相關(guān)半徑變大，同理也表明直達(dá)聲區(qū)聲場(chǎng)相關(guān)半徑的大小與聲場(chǎng)傳播損失的振蕩周期大小一致，與前面的分析一致。

圖17 不同接收深度時(shí)聲場(chǎng)水平相關(guān)系數(shù)二維圖

圖18 聲場(chǎng)傳播損失二維圖

圖19 不同接收深度時(shí)聲場(chǎng)傳播損失對(duì)比

5 結(jié)論

本文利用2016年冬季南海一次深海不完全聲道聲傳播實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬分析了深海直達(dá)聲區(qū)中大深度聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)特性。所得主要結(jié)論如下：

1)直達(dá)聲區(qū)中大深度聲場(chǎng)存在干涉結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)系數(shù)存在振蕩結(jié)構(gòu)，且不同參考距離處水平縱向相關(guān)半徑的大小與聲場(chǎng)傳播損失的振蕩周期一致，傳播損失振蕩周期越小，聲場(chǎng)的水平縱向相關(guān)半徑越小，反之越大。

2)直達(dá)聲區(qū)中大深度聲場(chǎng)的水平相關(guān)半徑大小受聲源頻率、聲源深度和接收深度變化影響，當(dāng)聲源頻率增大其他條件不變時(shí)，直達(dá)聲區(qū)中大深度聲場(chǎng)的水平縱向相關(guān)半徑變小，當(dāng)聲源深度增大、其他條件不變時(shí)，直達(dá)聲區(qū)中大深度聲場(chǎng)水平縱向相關(guān)半徑也變小，而當(dāng)接收深度變大、其他條件不變時(shí)，直達(dá)聲區(qū)近距離處的水平縱向相關(guān)半徑不變，遠(yuǎn)距離處聲場(chǎng)的水平縱向相關(guān)半徑變大。