海底沉积物压缩波声速比与物理特性的关系

海底沉积物因组成结构复杂导致声学特性复杂多样,多种理论解释模型存在参数较多且各具适用性现象·通过运用体积平均和等效参数的方法对海底沉积物声波传播机理进行研究,提出一种少参数的海底沉积物与底层海水的压缩波声速比通用模型(General Model of Sound Speed Ratio,GMSSR).GMSSR模型包含弹性结构分布因子、孔隙度、等效密度比、等效弹性模量比4个物理特性参数。分析海底沉积物两相介质结构的串联和并联两种极限情况分析,基于弹性结构分布因子和串并联结构的体积平均分布建立一般情况下海底沉积物的等效弹性模量表达式·应用GMSSR合理地分析各海域测量的海底沉积物声速比经验模型的共性和解释南海实测数据分散的范围,表明:(1)表层海底沉积物主要是以串联结构为主,接近于悬浮液状态或者体积分量很少的并联堆积状态;(2)等效弹性模量比的影响因素大于等效密度比,结构变化往往通过影响弹性结构分布因子而影响等效弹性模量比,从而引起声速比的变化;(3)不同研究海域的声速比-孔隙度经验关系具有相似性,可以通过GMSSR模型分析得出;(4)基于弹性结构分布因子的差异,可以合理解释南海海域测量表层海底沉积物声速比较大的分散性。      

海底沉积物声特性与海水深度变化关系的研究

海底沉积物声特性的实验室测量结果,相对原位直接测量,将由于测量环境的改变而发生变化。其中海水深度(压强)的改变是影响海底沉积物声传播速度、声传播衰减系数的因素之一。文章以现有海底沉积物纵波传播速度理论为依据,分析了海水深度(压强)影响海底沉积物声传播速度、声传播衰减系数的原因;设计了海底沉积物声特性实验室仿真测量系统,并根据实验数据获得海水深度(压强)影响海底沉积物声传播速度、声传播衰减系数的变化规律。     

海底表层声场垂直衰减分析

声波在海底中的传播衰减规律是海洋声学中值得研究的课题。根据简正波理论推导了高声速海底表层声场垂直衰减系数的解析表达式,并给出了其理论上限。数值仿真与实验研究表明:对液态海底模型,海底表层声场垂直衰减系数与声波频率基本呈正比;对于特定频率,海水-海底声速比是影响垂直衰减系数的最主要因素,比值越小垂直衰减系数越大;对于斜率较大的楔形海底地形,且声源在深水区、接收点在浅水区的情形,垂直衰减系数会大大小于其理论上限。      

一种低声速沉积层海底参数声学反演方法

软泥底环境下沉积层参数的声学反演是国际水声领域的一个研究热点.浅海中,当高声速基底和海水之间存在一层低声速(小于海水声速)的沉积层时,小掠射角情况下不同频率声传播损失会出现周期性增大现象.基于此现象,提出一种适用于低声速沉积层的海底参数声学反演方法.首先,推导给出小掠射角情况下传播损失周期增大的频率间隔与沉积层声速、厚度及近海底海水声速之间的解析表达式;其次,利用一次黄海实验中软泥底环境下的宽带声传播信号,提取了小掠射角下传播损失增大的频率周期;再次,把该解析表达式作为约束条件,结合Hamilton密度与声速的经验公式,采用匹配场处理反演给出沉积层的声速、密度、厚度及基底的声速、密度;然后,利用声传播损失数据反演得到泥底环境下不同频率的声衰减系数,通过拟合发现泥底声衰减系数随频率近似呈线性关系;最后,给出了双层海底模型和半无限大海底模型等效性的讨论.反演结果为低声速沉积层海底声传播规律研究与应用提供了海底声学参数.     

南海北部负跃层环境下海底参数声学反演

利用2015年南海北部声学实验的实验数据,对海底声学参数进行反演。在综合分析声速起伏及海底模型对海底反演影响的基础上,通过选择等效的海水声速剖面和海底模型,改进了多参量联合地声反演方法,使得其不仅能解决反演中的多值性问题,还能适用于负跃层起伏环境下的声学反演。即当用匹配场反演海底声速和用传播损失反演海底衰减时,如果温跃层内有内波等随机起伏,可使用传播路径上平均声速剖面和单层等效海底进行声场计算。反演得到的海底声速和密度结果与海底采样测量符合较好,拟合给出了海底衰减系数随频率的非线性经验关系式。反演结果可为南海北部声传播规律研究与应用提供海底参数。      

工质相变对低温谐振腔声速测量的影响分析

声学气体温度计是通过精确测量球型谐振腔内的气相声速,确定热力学温度应用最为广泛的计量器具。气体工质的相变是低温区声学气体温度计高精度测量系统不确定度的主要来源。本文基于热粘性流体动力学、热力学相变和理论声学基本方程,推导了气液混合工质对声速测量的影响公式,建立了声波波数计算模型,并进行了数值计算仿真和实例验证。拟合结果显示,气液混合物对于声速测量值的相对扰动不确定度0. 03 ppm,满足声速测量的要求。随着压强的增大,偏移量呈现缓慢减小的趋势,其中扰动值变化量分别在5. 4、3. 3 kHz时达到最大和最小。该方法计算结果精度较高,验证了其可行性。     

南海峡谷慕斯地层的近底声学探测

为测量南海深海表层沉积物反射特性,在探索一号TS12航次中,使用高频浅地层剖面仪搭载深海勇士号载人潜水器,潜水器下潜深度1578 m,高频浅地层剖面仪(110 kHz)近底作业高度约2 m,在南海北部琼东南盆地大陆坡峡谷进行了近底浅表沉积物反射测量。浅地层剖面图像表明峡谷海底表层2 m内沉积物存在5分层结构的慕斯地层。慕斯地层水-沉积物界面反射强度平均值-11.86 dB,标准差2.51 dB,原位取样结果测量得沉积物颗粒平均粒径7.2μm,反射系数与沉积物粒径结果均表明慕斯地层表面为泥质沉积物。慕斯地层处于大陆坡峡谷折弯处,其中的沉积物大量来自浊流输运,特殊的地理环境使不同时期经浊流输运而来的沉积物通过沉降形成了具有典型分层结构的慕斯地层。首次获得了慕斯地层的高分辨声学剖面图像,为研究海底表层沉积物的细致分层和声学特性提供了依据,同时由于慕斯地层汇聚了大量输运而来的沉积物,对海底沉积历史特性具有重要的研究价值。      

气泡体积分数对沙质沉积物低频声学特性的影响

由于有机物质分解等原因,实际的海底沉积物中存在气泡,气泡的存在会显著影响沉积物低频段的声学特性,因此研究气泡对沉积物低频段声速的影响机理具有重要意义.考虑到外场环境的不可控性,在室内水池中搭建了大尺度含气非饱和沙质沉积物声学特性获取平台,在有界空间中应用多水听器反演方法首次获取了含气非饱和沙质沉积物300—3000 Hz频段内的声速数据(79—142 m/s),并同时利用双水听器法获取了同一频段的数据(112—121 m/s).在声波频率远低于沉积物中最大气泡的共振频率时,根据等效介质理论,将孔隙水和气泡等效为一种均匀流体,改进了水饱和等效密度流体近似模型.模型揭示了气泡对沉积物低频段声学特性的影响规律,理论上解释了沉积物中声速的降低.通过分析模型预报声速对模型参数的敏感性,根据测量得到的声速分布反演得到了沉积物不同区域的气泡体积分数,气泡体积分数从1.07%变化到2.81%.改进的模型为沉积物中气泡体积分数估计提供了一种新方法.     

气泡对沉积物声学特性影响研究:以东海沉积物为例

气泡对海底沉积物的声学物理特性的影响在海洋学、海洋地质学和海洋地球物理学等领域中都有着重要的研究意义. 利用Micro-CT扫描仪对沉积物样品进行无损检测扫描, 根据沉积物样品中水、气和固体颗粒对X射线吸收率的不同, 提取了沉积物的气体体积(气泡)含量. 利用智能非金属超声检测仪对沉积物样品进行超声无损测定, 得到沉积物声速与衰减. 通过回归分析, 建立了样品采集海域沉积物孔隙填充气体与流体含量与沉积物声学特性之间的相关关系. 结果表明: 含气量的少许增大就会引起声速的急剧降低和声衰减的急剧上升, 但含气量超过10%后, 这种上升和降低的幅度明显减小.     

散砂及表层海洋(砂质)沉积物中的声速

根据作者的颗粒介质中的声传播理论,应用熄灭定理,给出了颗粒介质中的声速公式.对表层海洋(砂质)沉积物及气砂中的声速作了数值计算,结果表明,在大气压力下,气砂中的声速比空气中的声速小.而在表层海洋沉积物中,散射相互作用的影响不可忽视,粘滞波相互作用对声速的影响不大.刚性粒子理论结果与发表的实验数据比较符合,弹性粒子理论模型应该说是符合实际的,但给出的结果反而比实验数据小,这表明更多的实验测量是需要的.还比对分析了已发表的实验数据,结果表明,颗粒介质理论是更适宜于研究气砂中的声传播问题.     

海底沉积物声速与物理性质的理论关系

为建立海底沉积物声速与物理性质的关系,引入密度变化比和弹性模量变化比为参数描述海底沉积物声速。密度变化比是描述声速的一个复合参数,由孔隙率、固相密度和海水密度三个物理参数表示;弹性模量变化比是描述声速的另一个复合参数,由孔隙率、固相体积模量和海水体积模量三个物理参数表示;声速公式可展开为这两个复合参数的泰勒多项式。两个复合参数的变化构成声速曲面,声速曲面包含了声速特性与沉积物性质的完整信息;而单参数声速公式是声速曲面上的一条曲线。数值计算与测试结果对比表明:把孔隙率-声速经验公式变换为参考声速乘以一个调制函数的标准形式,各个海区的孔隙率-声速经验公式的调制函数是相当接近的。论文导出的声速公式与Wood声速公式的区别在于弹性模量的模型不同。      

重塑砂质含气沉积物的声响应特性与模型预测分析

海洋沉积物中气泡的存在对沉积物的声学特性有显著影响.为实现在实验室内对不同初始应力条件下含气沉积物的声学特性测量,研制了一套可用于土工三轴仪的双探针声学测量系统,基于CT扫描试验获得重塑含气砂样品中气泡群的尺寸分布,确定其共振频率范围.试验结果表明:细砂沉积物声速随气体含量的增加呈指数型降低,衰减系数随气体含量的增加呈...     

海底沉积物压缩波速度与切变波速度的关系

基于连续介质假设,根据无吸收各向同性弹性介质通用方程分析沉积物声波传播关系,提出应用弹性结构分布因子表达的声速通用模型(GMSS,General Model of Sound Speed)分析海底沉积物的声速特性;通过研究Willey时间平均模型、Wood方程、Gassmann方程、Buckingham模型、Biot-Stoll模型和EDFM模型,可以表述成GMSS通用模型中的弹性结构分布因子的具体表达形式,得出GMSS通用模型在解释压缩波速度和切变波速度特性上具有一致性的特点。GMSS通用模型具有弹性结构分布因子、孔隙度、孔隙海水的等效密度和等效弹性模量、固相颗粒的等效密度、固相颗粒的等效体积弹性模量和等效切变弹性模量共7个参数,为研究海底沉积物压缩波和切变波速度提供了一种模型简单、参数少、通用性强的方法。但也需要从物理结构上以及应力应变关系上开展更为深入的分析和探寻GMSS模型的物理意义和参数测量的方法。      

压力罐中水声材料声学特性的参量源测量法

设计了一种原波频率500 kHz、差频范围1~30 kHz的截断宽带参量阵,作为水声材料测量系统的声源。通过分析典型频率下的宽带参量源指向性理论计算和实际测量结果,发现两者结果的曲线基本吻合,证明计算模型是正确的。应用钟形短时脉冲实现水声材料声特性的宽带测量,有益于降低样品边缘衍射干扰。并建立了测量水声材料大面积板状样品声压反射系数、声压透射系数和吸声系数的压力罐测量系统,罐体内尺寸Φ4 m×12 m,最高静水压4.5 MPa,测量频率范围1~30 kHz。对标准样品(尺寸1m×1m)进行了测量实验,其测量结果和理论曲线有很好的吻合,参量源测量法得到了验证;之后,通过对一块橡胶板样品在不同静压力下的吸声性能进行了测量和有效评估,进一步确认了参量源测量法在压力罐这样有限水域中的潜在应用价值。      

Mechanisms for subcritical penetration into a sandy bottom: experimental and modeling results

This paper presents preliminary results of a recent study whose overall objectives are to determine the mechanisms contributing significantly to subcritical acoustic penetration into ocean sediments, and to quantify the results for use in sonar performance prediction for the detection of buried objects. In situ acoustic measurements were performed on a sandy bottom whose geoacoustical and geomorphological properties were also measured. A parametric array mounted on a tower moving on a rail was used to insonify hydrophones located above and below the sediment interface. Data covering grazing angles both above and below the nominal critical angle and in the frequency range 2-15 kHz were acquired and processed. The results are compared to two models that account for scattering of sound at the rough water-sediment interface into the sediment. Although all possible mechanisms for subcritical penetration are not modeled, the levels predicted by both models are consistent with the levels observed in the experimental data. For the specific seafloor and experimental conditions examined, the analysis suggests that for frequencies below 5-7 kHz sound penetration into the sediment at subcritical insonification is dominated by the evanescent field, while scattering due to surface roughness is the dominant mechanism at higher frequencies.     

Automotive panel noise contribution modeling based on finite element and measured structural-acoustic spectra

The radiated noise contributions of automotive body panels to the interior sound pressure levels are modeled using an approximate spectral formulation that applies the theoretical interior acoustic sensitivity terms derived from a finite element model and measured spatial-averaged structural-acoustic spectra. The finite element calculation is validated by comparison to a set of experimental acoustic transfer functions. A measurement set-up for the sound intensity and structural-acoustic response is applied to acquire the cross and auto power spectra needed to predict the relative mean-squared velocity term of each control plane near the panel surface, and to obtain the individual panel contribution function. The proposed approach also computes the noise spectra in 1/12 octave band form at selected positions in the passenger compartment, which matches well with the overall experimental results. Through an actual passenger car application, the approximate computational scheme is proven to be generally quite robust and effective for analyzing higher frequency interior noise problems.     

Sound scattering by the seafloor: Results of recent theoretical and experimental research

The state of theoretical and experimental research in sound scattering by the seafloor is considered. Current geoacoustic models are discussed. In general, these models make it possible to consider bottom sediments as an arbitrary stratified medium having statistically irregular interfaces and random volume heterogeneities, both continuous and/or discrete. The outlook for further development and practical use of the model are analyzed with emphasis on advancing techniques for acoustic sensing of marine sediments. Results of comparisons with data of the latest large-scale experiments on sound scattering by a shallow-water seafloor are given.     

Estimation of pressure-particle velocity impedance measurement uncertainty using the Monte Carlo method

The pressure-particle velocity (PU) impedance measurement technique is an experimental method used to measure the surface impedance and the absorption coefficient of acoustic samples in situ or under free-field conditions. In this paper, the measurement uncertainty of the the absorption coefficient determined using the PU technique is explored applying the Monte Carlo method. It is shown that because of the uncertainty, it is particularly difficult to measure samples with low absorption and that difficulties associated with the localization of the acoustic centers of the sound source and the PU sensor affect the quality of the measurement roughly to the same extent as the errors in the transfer function between pressure and particle velocity do.