深海海底斜坡环境下的声传播

海底地形变化对声传播具有很大影响,在南海深海区域海底斜坡环境下进行了一次声传播实验,实验显示倾斜海底环境下声传播损失出现了一些不同于平坦海底环境下的现象,分析并解释了海底地形变化对产生声传播差异的原因.结果表明,海底斜坡对声波的反射增强作用可使斜坡上方的声传播损失减少约5 d B.当声波第一次入射到达的海底位置有较小幅度的山丘(凸起高度小于1/10海深)时,海底小山丘即可对声波有反射遮挡作用,导致在其反射区特定传播距离和深度上出现倒三角声影区,比平坦海底环境下相同影区位置处的传播损失增大约8 d B,影响深度可达海面以下1500 m.而海底斜坡对声波的反射阻挡作用使得从海面反射及水体向下折射的会聚区结构消失,只剩下从水体向上折射的会聚结构.因此,海底地形对深海声传播影响较大,在水下目标探测和性能评估等应用中应予以重视.     

空气中声源激发浅海水下声场传播特性的实验研究

为了获得空气中远距离声源激发水下声场的精细结构,2013年3月,声场声信息国家重点实验室在南海海域进行了一次空气中声源激发水下声场的实验。采用汽笛作为空气声源,海底放置水听器作为接收,在实验过程中,发射船由距离水听器2.4 km处行驶至9.8 km。本文对该次实验数据进行分析,获得了收发距离远达9.8 km、频率分别为128 Hz和256 Hz的声传播损失曲线,该曲线随传播距离变化存在清晰的震荡结构.利用波数积分方法计算实验环境下的水下声场理论值,并对获得的声场传播特性进行了较好的物理解释。      

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。      

点噪声源在近程声场中传播损失的仿真研究

在分层介质条件下，用本征声线法仿真计算了点声源这距离噪声场的传播损失曲线，仿真结果表明，其传播损失不仅依赖于声速分布，海区深度，海底反射特性等环境条件，也依赖于声源及接收水听器的深度，声传播损失显著不同于球面波衰减规律，其传播损失率差别可达８ｄＢ，这表明在测量舰船目标的辐射噪声声源级时必要的声场校正测量是必须的。     

南海海域跨海沟环境的声场会聚特性

利用南海北部海域的声传播实验数据分析了跨海沟条件下的声传播特性。结果表明:由于负梯度声速剖面和海底地形的共同作用,导致声能量在开始随着海沟深度变化向更深层位置上弯曲传播,传播损失在海沟中心位置附近达到最大。在海深逐渐变浅的距离上,由于海底反射使得声能量逐渐会聚,声传播损失比单纯陆坡变到深海环境下要减小20 dB以上。当会聚效果小于扩散和海底反射等引起的损失时,声传播损失达到最小,之后随着距离增大而增大;在海沟最后一段,当海深在8 km范围内从850 m突然变浅到311 m,声场能量逐渐会聚效果再次凸显,使得声传播损失减小10 dB。利用射线理论和抛物方程近似数值分析,解释了海沟环境下的由于地形变化引起的声场会聚传播特性。      

深海海底声反射区多途时延差分析与近海面声源定位

深海海底反射声工作方式下的声场主要由4条一次海底反射声线路径构成。根据4条声线路径到达接收点的时间不同,可以得到6个不同的声线到达时延差值,当声源位于近海面时, 6条声线路径的时延差曲线随接收深度近似呈线性变化。本文基于虚源理论推导了海底声反射区的多途到达时延结构,给出了6条声线路径的时延差曲线随接收深度变化的近似表达式,通过分析时延差曲线与声源水平距离和深度之间的关系,提出了一种利用多途时延差估计深海海底声反射区近海面声源距离与深度的方法,仿真实验与影响因素分析验证了该原理的正确性。南海实验结果表明,当收发距离在10～33 km时,距离估计结果和深度估计结果都同实际声源距离和深度吻合较好,估计误差不超过15%,验证了该方法的有效性。     

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。      

大陆架低频声传播建模研究

在过去的几十年中大陆架斜坡海域的低频声传播得到越来越多的重视。针对爆炸声作为声源的一次海上实验测量数据,对大陆架海域的低频远距离声传播进行了建模研究。在实验过程中单水听器布放在水下大约240m处接收爆炸声信号,对两条不同测线的传播损失进行了处理。本文结合海底地声模型并考虑了声速剖面的水平变化,利用抛物方程方法对传播损失进行建模。模拟计算该海域的传播损失同实验测量数据相比具有较好的一致性。     

深海脉冲信号簇到达结构特征及其在水下声源定位中的应用

为了实现对深海水下声源的定位,对典型深海环境中的脉冲信号到达结构特征进行了理论分析,给出了声源和接收位置位于近海面时到达信号的簇信号形式近似表达式。当声源和接收位置处于近海面深度时,接收到的信号呈簇状结构形式。在提取到达信号中各簇信号到达时间、幅值等特征参数的基础上,提出了一种通过对到达信号中簇信号特征参数匹配搜索进行水下脉冲信号定位的方法,仿真分析了不同距离和不同深度处的簇信号特征,并利用一次南海海域爆炸声源的声传播实验数据进行了实验验证。结果表明:各簇信号对应的到达时间、幅值等特征参数可用于对声源位置的匹配定位;海上实验中利用单水听器得到的水下声源的距离估计结果与实测距离结果较为一致,对实验中2.0 km至90.4 km内声源的距离估计误差不大于8%。      

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。     

深海海底山环境下声传播水平折射效应研究

声波在深海海底山环境中传播时,海底山会对声传播产生重要影响.2016年在南海深海进行了一次海底山环境下的声传播实验,观测到了由海底山引起的三维声传播效应,本文利用BELLHOP射线理论解释了海底山环境下的三维声传播机理.结果表明：声波在传播过程中与海底山作用后破坏了深海会聚区结构,导致传播损失增大,在海底山后形成具有明显边界的声水平折射区,利用二维声传播模型无法解释实验现象,海底山后声水平折射区实验测量的声场结构与N×2D模型计算结果存在明显差异,实验的传播损失比N×2D模型计算结果大10 dB.通过三维射线模型分析N×2D模型计算结果与实验结果存在明显差异产生的原因,发现由于声波水平折射作用,部分声线无法到达接收器,使得三维声传播效应对海底山后一定角度范围内声场影响较为明显.因此,深海海底山会引起明显的三维水平折射效应,应在水下目标探测和定位等应用中给予重视.     

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。      

南海东沙海域线性内波引起的声场统计特性

海洋内波对声传播及水声探测具有重要影响.利用南海东沙附近海域一次低频声传播起伏实验同步获取的声学与水文观测数据,从水文连续观测数据中提取了内波特征参数,验证了修正线性内波频谱公式,用蒙特卡洛方法统计分析了存在线性内波条件下的声场起伏特性,并用射线理论解释了声源与跃层相对位置对声场起伏的影响机理.结果 表明:随着频率、平...     

The characteristic of sound propagation in deep water and underwater source localization in the direct zone

The multiple-path sound propagation in deep water is conducive to source localization of an underwater target.The transmission losses(TLs) and broadband pulse multiple-path propagation characteristics from a deep receiver is analyzed by using the experimental data from deep water area in the South China Sea(SCS).The results indicate that the width of the direct zone near the bottom of 4300 m water depth is about 30 km.The TLs in the direct zone near the bottom are much less than those in the shadow zone.It is meaningful for underwater sound source detection.Moreover,the time delay between the direct path and the bottomsurface-reflected path for a receiver near the bottom decreases monotonically with the source range.According to the linear relationship between the time delay of multipath and source range,a source localization method is presented to estimate the range of underwater target.The experimental results show that the estimated ranges are consistent with the global position system(GPS) measurements,and the mean square error of the estimation results is less than 0.28 km.     

The convergence of sound field in a South China Sea canyon

The sound propagation characteristics in a canyon environment are analyzed using the data from the northern South China Sea. The experimental results show that the energy begins to bend to a deeper place with the depth change of the canyon and the sound transmission losses(TLs) reach the maximum near the center of the canyon due to the combined effect of the negative gradient sound speed profile and the seabed topography. As the sea become shallow gradually, the energy is concentrated due to the seabed reflection, thus the TLs reduce by over 20 d B compared with the TLs results got from the simple slope to the deep water environment. Moreover, when the convergence effects are less than the loss caused by diffusion,seabed reflection, etc. the TLs are minimized and then increase with an increase in distance.In the last segment, the gradual convergence of the energy is highlighted again, and the TLs decrease 10 d B when the water depth suddenly decreases from 850 m to 311 m within 8 km.Finally, the convergence of sound field, which is caused by the topographic change in the canyon environment, is explained by the ray theory and the parabolic equation method.     

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.     

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.     

Random focusing of sound into spatially coherent regions

Abstract

Oceanographic variability creates a weak random propagation medium for acoustic waves. The impact on acoustic transmission is becoming increasingly appreciated as the deterministic modelling of sound propagation in the ocean has become tractable and better understood. Beyond the near field (where phase fluctuations are weak) and the far field (where the scintillation index becomes saturated) multiple-scattering theory predicts that random focusing will greatly enhance the acoustic energy density over small volumetric regions, which we call ‘ribbons’. In 1986 an experiment was carried out in the eastern Mediterranean to test this prediction using acoustic propagation along distinct, resolvable ray paths. This experiment is one of the few to map the spatial structure of acoustic intensity with such a large vertical aperture, and as far as the authors are aware it remains the only experiment to attempt to detect the two-dimensional structure of the predicted focused ribbons for individual energy paths. Renewed impetus to publish the results has been provided by the recent focus on moderate- to high-frequency acoustics in near-shore and shallow-water environments. The experiment is described and high-intensity regions consistent with the theoretical predictions are reported. A 3.5 kHz pulsed signal was transmitted over ranges of 11–23 km and sampled over a vertical aperture of 250–350 m and horizontal apertures of 4–4.5 km. The acoustic signals travelling along individual ray paths developed randomly focused regions of 6–18 dB over regions with a vertical dimension of about 20 m and whose horizontal length could possibly be up to 1 km. The understanding of these features allows system limitations to be estimated quantitatively and opens up the way to their constructive tactical use. The results are applicable to many systems from towed array sonars to high-frequency bathymetric sidescan and minehunting.