涌浪条件下的浅海表面声道脉冲声传播*

在冬季,海水表面受到海面强风的影响,普遍存在表面声道。当声源位于表面声道中并且声源频率高于表面声道的截止频率时,声能量几乎被完全限制其中,不与海底作用,十分有利于声传播。但当表面声道上边界为较大涌浪所形成的粗糙界面时,这种优良性能会被破坏。在南海北部陆坡海区的一次冬季实验中,发现表面声道以下水听器接收到的首个脉冲的幅度明显增加,通过研究表明,其原因是：存在较大涌浪时,部分表面声道内传播的声能量,经粗糙海面反射作用后进入下层水体中,使得位于表面声道以下的水听器的第一个到达的脉冲幅度增强。     

冬季冲绳海域地形及黑潮对声传播的影响

冲绳海域地形复杂且冬季存在较强的黑潮海洋锋,利用数值实验研究斜坡地形和海洋锋同时存在时由浅海至深海的声传播特性。海洋模式数值预报环境数据表明,分布于冲绳海槽斜坡上方的海洋锋导致该海域上层水体声速存在水平变化,纬度越高,水平变化越大。利用抛物方程声场模型计算声传播损失,通过简正模态分析存在表面声道的环境中声能量分布,利用声线轨迹图解释海底斜坡和海洋锋对声传播的影响。结果表明:声源频率低于表面声道截止频率时,声传播主要受海底地形影响;声源频率高于表面声道截止频率时,位于表面声道内的声源激发的声能量主要在表面声道传播,部分声能量从表面声道泄漏沿斜坡向深海传播,位于表面声道深度以下的声源激发的声能量主要沿斜坡向深海传播,斜坡地形导致表面声道下方至共轭深度这一深度范围呈现为声影区,海洋锋的存在可导致表面声道传播损失变化明显,影响程度与声源深度有关。     

起伏海面散射引起浅海声传播损失的统计特性与快速声场预报方法

基于海洋环境信息、起伏海面的小斜率近似和简正波模型,研究了浅海环境中不同季节起伏海面散射引起的声传播损失的统计特性,给出了海面散射声传播损失-风速拟合公式以及一种快速声场预报方法,可据此快速评估水下长期工作设备的工作性能。仿真结果表明,对于全年运行的水声设备,当传播距离超过10 km时,须考虑起伏海面散射对声传播的影响。起伏海面散射对声场的影响冬季大于夏季,在夏季负跃层环境中起伏海面散射对下发上收声场的影响大于下发下收声场。     

小掠射角下高斯谱粗糙海面反射损失建模

在散射能量基本为前向散射且集中在“镜面反射”方向的情况下,粗糙海面反射损失建模是声呐信号传播建模必不可少的一部分,尤其对于中远距离下浅海或者存在表面声道的水声环境,小掠射角(10°以内)下的粗糙海面反射损失建模尤为重要。首先基于高斯谱粗糙海面模型,通过高海况下的声传播试验数据处理分析了粗糙海面边界条件下的Ramsurf声传播模型的有效性,进而以Ramsurf声传播模型为基准,在小掠射角下,比较分析了Kirchhoff近似(KA)海面反射损失模型和小斜率近似(SSA)海面反射损失模型,数值计算结果表明,在小掠射角下SSA海面反射损失模型与Ramsurf计算结果较为吻合,是比较精确的海面反射损失模型。      

由于表面粗糙引起的激光声表面波色散的实验和理论研究

表面粗糙是材料制造过程中必有的副产物, 粗糙表面会引起其中传播的声表面波的速度发生变化. 在利用激光声表面波对材料性质进行评估时, 常用宽带的激光声表面波速度频散特性对材料性质进行反演. 为了研究表面粗糙度是否能作为反演的特征参数之一, 本文建立了激光在表面粗糙样品中激发声表面波、聚偏氟乙烯换能器宽带接收声表面波的实验装置来研究不同粗糙度表面对声表面波速度的影响; 理论上建立了激光在粗糙表面中激发声表面波的计算模型, 利用有限元法得到声表面波的时域特征, 并进一步得到声表面波的速度色散曲线, 理论结果和实验结果能很好地拟合. 这为利用激光声表面波对表面粗糙的评估提供理论和实验依据. 关键词： 表面粗糙 激光声表面波 速度色散 聚偏氟乙烯传感器 有限元法     

基于小斜率近似的深海海面混响

收发设备在海面附近的深海混响实验中,多途时延使得最先到达水听器的为海面混响信号,且不受海底散射声场的干扰.本文利用射线理论描述深海声传播的格林函数,采用粗糙界面一阶小斜率近似方法描述全角度海面散射,给出海面混响声场的表达式.同时考虑了海面表层气泡散射的贡献,获得了海面混响理论.通过数值仿真数据和深海实验数据的比较对海面混响模型进行验证,分析了不同接收深度、频率下的海面混响强度衰减趋势.结果表明:低海况条件下,低频海面混响由粗糙界面散射主导,气泡散射可以忽略,随频率升高,气泡散射对海面混响的贡献逐渐增大,海面附近收发深度的小幅变化对混响衰减曲线的影响不明显.基于该模型提出一种反演海面粗糙界面谱参数的方法,数值计算结果验证了该模型能够在风速已知的前提下,通过海面混响数据提取海面粗糙界面谱参数.     

可靠声路径传播特性及目标定位方法研究现状*

作为深海中重要的声传播途径之一,可靠声路径声道下的噪声级较低,声速剖面变化和海底界面作用对其影响较小。此外,当接收水听器位于该声道下时,可实现对近海面中近距离目标的无盲区监测。因此,可靠声路径必将成为一种重要的探测与定位途径。本文从可靠声路径的声传播特性着手,概述了国内外研究现状,逐步探讨结合各声传播特性所开展目标定位技术。旨在回顾当前各项技术成果并展望基于可靠声路径的目标定位技术今后的发展趋势。     

大陆坡海域二维声传播研究

针对在西北太平洋大陆坡外海进行的一次实验中观测到的接收信号能量在声道轴深度附近较为集中的现象,分析了存在向下斜坡时声源置于海面附近和斜坡表面两种情况下斜坡分别对声传播的影响。通过数值模拟,得到了不同声源深度下的传播损失和脉冲的时域波形,数值结果表明,当声源置于海面附近时,声波在水平不变深海环境中随距离衰减很快,而大陆坡的存在可实现能量的远距离传播;当声源置于斜坡表面时,大陆坡会改变水体中声波能量的分布,使其在声道轴深度附近比较集中,这种传播条件下小掠射角声线产生的时间展宽很小,      

北极冰下双轴声道传播特性研究

本文利用第六次北极科学考察的所得的楚科奇海温盐深数据,开展了北极海域声传播特性研究。通过引入Diachok海冰散射模型,将海冰界面模拟为无限椭圆形半圆柱体在自由界面的随机分布,利用Twersky散射理论计算了海冰的反射系数。使用简正波中的KRAKENC模型,结合海冰参数,进行了传播损失仿真分析。研究表明,北极的双声道波导中表面声道的传播特性与声源频率和收发深度紧密相关。深海声道与北极典型声速结构的传播特性一致,具有频率选择特性,在20 Hz左右时传播特性较为理想。此外,在远程传播时,深海声道的传播特性要优于表面声道。     

深海大深度声传播特性及直达声区水下声源距离估计

深海大深度声传播特性对在深海近海底进行水声目标探测和定位具有重要意义。利用一次南海中南部深海不完全声道中的脉冲声传播实验数据,分析了海底附近大深度声传播损失及脉冲多途传播特性,并根据直达波和海底-海面反射波的时延差与收发距离的关系,提出一种利用深海直达声区脉冲多途到达时间进行水下声源距离估计的方法。结果表明:当接收器深度位于南海深海海底附近而声源深度较浅时,直达声区水平宽度可达30 km,传播损失相对影区来说较小,有利于水下声源探测;直达声区的直达波与海底-海面反射波的到达时延差随着收发距离的增大单调减小,可被用于水下声源距离估计。得到水下声源的距离估计结果与实验GPS测量结果较为一致,距离估计均方误差为0.28 km。      

浅海起伏海面下气泡层对声传播的影响

分析了起伏海面下风浪引起的气泡层对海面反射损失和对声传播的影响.一方面,气泡层会改变原来水中的声速剖面;另一方面,气泡层会对声波产生散射和吸收作用.考虑以上两方面的因素,分析了不同风速下气泡层对海面反射损失和声传播损失的影响,仿真发现,在风速大于10 m/s时,对于2 k Hz以上频率时气泡层对小掠射角下海面反射损失的影响不可忽视.在给定的水声环境中,当声源深度和接收深度都为7 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到8.1 d B.当声源深度和接收深度都为18 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到4 d B.     

浅海周期起伏海底环境下的声传播

海底粗糙对水下声传播及水声探测等应用具有重要影响.利用黄海夏季典型海洋环境,分析了同时存在海底周期起伏和强温跃层条件下的声传播特性,结果表明:由于海底周期起伏的存在,对于低频(<1 kHz)、近程(10 km)的声信号,传播损失可增大5—30 dB.总结了声传播损失及脉冲到达结构随声源深度、海底起伏周期及起伏高度等因素变化的规律.当海底起伏周期不变时,起伏高度越大引起的异常声传播的影响随之变大;当起伏高度不变时,随着起伏周期变大,其对声传播的影响逐渐变小.用射线理论分析了其影响机理,由于海底周期起伏改变了声波与海底的入射和反射角度,使得原本小掠射角入射到海底的声线变为大掠射角,导致海底的反射损失增大;另一方面,声线反射角度的改变会使得原本可以到达接收点的声能量,由于与海底作用次数增加或变为反向传播而大幅度衰减.在浅海负跃层环境下,声源位于跃层上比位于跃层下对声传播影响更大.周期起伏海底对脉冲声传播的影响表现在引起不同角度的声线(或简正波号数)之间的能量发生转化,一些大角度声线能量衰减加大,多途结构变少.多途结构到达时间及相对幅度的变化进而影响声场的频谱,会使得基于匹配场定位的方法性能受到影响.所以,声呐在实际浅海环境中应用时,应对起伏海底的影响予以重视.此外,研究结果对海底地形测绘空间精度的提高也具有重要参考意义.     

Characteristic features of the sound field formation near the bottom of a shallow sea

Detailed calculated data are presented for the angular, temporal, and energy structures of the sound field at the points of localtion of a horizontal line array of receivers (at 250-m intervals) in a shallow sea. The array is deployed near the bottom of a 200-m-deep waveguide along a sound propagation track, at distances from 20 to 30 km from a source generating a signal in the kilohertz frequency range. The influence of a sand or mud bottom on the intensity of signals arriving along single rays is numerically estimated for winter and summer conditions of sound propagation in a specific region of the Barents Sea.     

南海深海典型不平整地形对声场垂直相关性的影响

海底地形变化对深海环境下的声传播和空间相关性有重要影响。基于2014年南海中南部海域不完全深海声道条件下大跨度垂直阵接收的声信号,选取平坦海底和典型不平整(存在小海底山和海底斜坡)海底两个不同传播方向上传播损失差异较大的距离,对声场垂直相关性进行了对比分析,并应用射线理论对相关性差异予以定性分析和机理解释。在不平整海底方向,在第一影区内小海底山遮挡区附近:在部分一次海底反射声线被小海底山遮挡的距离处,接收声信号主脉冲多途干涉结构相对平坦海底方向更加简单,垂直相关性增强;而在全部一次海底反射声线被小海底山遮挡的距离处,对声场起主要作用的变为二次海底反射声线,接收声信号主脉冲呈现多途干涉结构,垂直相关性降低。在第一会聚区附近:平坦海底环境下,由于两组水体中反转声线在空间垂直方向上的干涉效应,使得声场的垂直相关随接收深度增加呈现出周期性振荡的现象;而不平整海底方向,在50 km处,海底斜坡阻挡了一组水体反转声线,在大深度上只出现单会聚结构,观测不到垂直相关的周期性振荡现象;在57 km附近对声场起主要贡献的成分从水体中反转声线变成了多次海底反射声线,主脉冲多途展宽变宽,垂直相关性显著降低。研究结果对深海复杂海底地形环境下声场垂直相关性的深入分析及声呐阵列增益估计等具有重要意义。      

深海海底反射会聚区声传播特性

在深海声道条件下,海水折射效应会使得声场出现会聚效应;在不完全声道条件下,深海海底对声场具有重要影响.利用在中国南海海域收集到的一次深海声传播实验数据,研究了深海不完全声道环境下的海底反射对声传播的影响.实验观测到不同于深海会聚区的海底反射会聚现象,在直达声区范围内的海底地形隆起可导致海底反射会聚区提前形成,并使得部分影区的声强明显提高.由于不平坦海底和海面的反射破坏了完全声道环境下的会聚区结构,在60 km范围内存在两个海底反射会聚区,会聚区增益可达10 dB以上,同时在11 km附近的影区和51 km附近形成高声强区域.当接收深度与声源深度相同时,第二会聚区的增益高于第一会聚区.在第一会聚区内,随着接收深度的增加,声线到达结构趋于复杂,多途效应更加明显.使用抛物方程数值分析结合射线理论对深海海底反射会聚区现象产生的物理原因进行了分析解释.研究结果对于声纳在深海复杂环境下的性能分析具有重要的指导意义.     

粗糙海面对高斯分布激光光束的反射模型推导

研究激光光束海面反射光强的方向分布特性对海上光电对抗等领域的工程实践具有重要意义.本文采用分形方法模拟粗糙海面,并在海面基准坐标系中建立起描述粗糙海面几何特征的数学方程,然后基于蒙特卡罗方法模拟高斯光束,依据几何光学原理在基准坐标系下推导了高斯光束的海面反射模型,采用该模型可以编程计算激光光束海面反射光强的方向分布.将模拟计算结果与实验结果进行了对比分析,结果表明该模型可以较好地反映激光光束海面反射光强的分布趋势,验证了模型的有效性.     

Effects of wind waves on horizontal array performance in shallow-water conditions

We analyze the influence of statistical effects of the propagation of an acoustic signal excited by a tone source in a shallow-water channel with a rough sea surface on the efficiency of a horizontal phased array. As the array characteristics, we consider the angular function of the array response for a given direction to the source and the coefficient of amplification of the signal-to-noise ratio (array gain). Numerical simulation was conducted in to the winter hydrological conditions of the Barents Sea in a wide range of parameters determining the spatial signal coherence. The results show the main physical effects of the influence of wind waves on the array characteristics and make it possible to quantitatively predict the efficiency of a large horizontal array in realistic shallow-water channels.     

Intensity and space-time characteristics of the sound field in the underwater sound channel of the Black Sea

Experimental data are presented on the intensity and space-time characteristics of the sound field generated by explosions in underwater and surface sound channels of the Black Sea. The fine field structure is studied as a function of distance and positions of the source and the receiver. The discreteness of the field structure governed by the deterministic nature of the waveguide is revealed, and the destruction of this structure under the effect of the instability of the waveguide parameters is demonstrated. The effect of the rough sea surface on the sound field in the surface channel is studied, and the diffraction-caused propagation loss is estimated. The mechanism of the forerunner formation is considered. The experimentally observed sound field features are compared with the calculations. A possibility for solving the inverse problem is indicated, and the main parameters that are used in the ray method of determining the source coordinates in the underwater channel (i.e., the method earlier proposed by the author on the basis of the intrinsic structure of the sound field) are pointed out.     

深海不平海底对声场水平纵向相关性的影响

海底地形变化对与海底作用的声反射区声场空间相关性有重要影响。利用南中国海某深海海域的一次声学实验数据,对深海海底反射区的声场空间相关性进行了分析。实验观测到,在距离声源约29 km至35 km距离范围处,不平海底环境下的水平纵向相关性出现了一些不同于平坦海底环境下的振荡结构,利用射线声学理论分析并解释了这两种不同海底环境产生水平纵向相关差异的原因。结果表明,在深海平坦海底方向一次海底反射到达区,对声场起主要贡献的经过一次海底反射声线间的到达时间差随着水平距离的增加而逐渐减少,从而干涉叠加后的相位差在[0,2π]内发生周期性变化,导致该区域声场的水平纵向相关性随着间距增加呈周期性振荡现象;而不平海底方向的海底小山丘恰对一次海底反射声线的阻挡影响,不仅使得与平坦海底方向相同区域的声传播损失明显增大,而且由于相对更多的本征声线路径的复杂多途干涉,该区域水平纵向相关性不再呈现明显的振荡周期,相关系数也有所下降。研究结果对于分析在深海复杂海底地形环境下的声呐阵列探测性能具有重要意义。