深海聲速剖面結構變化引起的會聚區(qū)偏移特性分析

王一帆

中國海洋大學，山東青島 266100

0 引言

聲速剖面可以反映一定范圍內(nèi)海洋的聲速垂直結構，對于水下聲音傳播有著重要的影響。而會聚現(xiàn)象則是深海中特有的聲傳播現(xiàn)象，當聲援和接收器全都位于海洋近表層時，聲援發(fā)射的聲波，經(jīng)過深海海水的反射后，會折回海面，并在間隔60km ～70km 的區(qū)域范圍內(nèi)，形成寬約3km ～4km 的較高聲強環(huán)帶狀區(qū)域，相關人員將這個區(qū)域稱為會聚區(qū)。對于我國而言，海域遼闊，海洋氣象水文環(huán)境復雜，其聲速場具有較大的區(qū)域性和季節(jié)性變化特征，因此，對深海聲速剖面結構變化引起的會聚區(qū)偏移特性進行分析，對于海洋工程和國防領域的應用具有重要意義。

1 建立分層聲速剖面模型

在對聲速剖面結構變化進行分析時，可以采用分層聲速剖面模型來進行。通常情況下，聲速剖面屬于典型的三層結構，分層聲速剖面模型（LSSPM）在進行分析時，使用 0z ～5z 來分別表示深海海面、混合底層、主躍底層、深海等溫層上邊界以及海底位置。同時，根據(jù)4 個水層的不同聲速特征，對擬合函數(shù)F（z）隨著水深變化而變化的關系進行分析。0z ～5z 的5個特征深度，分別構成了聲速剖面各層的邊界：0z ～1z 為混合層，1z ～2z 為主躍層，2z ～3z 為深海聲道層，3z ～4z 為深海等溫層。根據(jù)這些特征，假設深海聲道剖面中聲速最小值所在深度為 mz ，可知其數(shù)值在 2z ～3z 之間，則對于混合層中的聲速剖面結構而言：

F(z)=a0+a1z +a2z2,z0≤z≤z1其中 a0、 a1、 a2為多項式的系數(shù)。

在公式中，A 表示躍層的核心位置，B 表示核心位置附近的聲速梯度強弱。

對于深海聲道層而言，其模型表達式為：

其中，η =2 Dzzm/)( ? ），表示無量綱化的深度；mc 表示聲道軸處的聲速；D 代表聲道的厚度；ε = D ?γA/2表示擾動系數(shù)，而 γA數(shù)值為0.0114km-1，為絕熱速度梯度。

對于深海等溫層聲速而言，其為正梯度結構，變化緩慢

F(z)=b0+b1z +b2z2,z3≤z≤z4其中，b0、 b1、 b2代表多項式系數(shù)。

根據(jù)相應的公式，在對相應的參數(shù)數(shù)值進行確定后，可以建立起完整的LSSPM 模型。

2 深海聲速剖面結構變化的影響分析

2.1 聲速值變化的影響

要對聲速值的整體變化進行分析，首先考慮聲速梯度不變情況下的聲速值變化。通過相應的模型計算和分析，在聲速梯度保持不變的前提下，剖面聲速值每增加5m·s-1，第一會聚區(qū)會向著與聲源相反的方向，偏移0.1km，而第二和第三會聚區(qū)的偏移量為0.2km 和0.3km，因此，剖面聲速值本身并不是引起會聚區(qū)偏移的主要因素。

2.2 混合層變化的影響

假定混合層發(fā)生厚度變化，而其底部的最大聲速值保持不變，則可以根據(jù)計算得出，混合層每增加50m，第一會聚區(qū)會向著與聲源相反的方向偏移0.5km ～1.0km，第三會聚區(qū)的偏移量則可達到2.0km ～3.0km。同時，隨著混合層的加深，還伴隨有表面聲道的產(chǎn)生。但是，表面聲道并不會影響到會聚區(qū)，混合層引起會聚區(qū)的偏移主要是由于其厚度加深導致的主躍層結構變化。對于季節(jié)性變化明顯的中緯度海洋，其混合層冬夏變化顯著，表現(xiàn)為冬深夏淺，主躍層結構受季節(jié)變化影響小。因此，在假設主躍層結構不變的情況下，混合層會隨著聲速值的減小而不斷加深。計算結果顯示，在這種情況下，混合層每增加50m，第一會聚區(qū)會向著聲源所在地偏移1.0km ～2.0km，第三會聚區(qū)偏移量為2.0km ～4.0km。雖然主躍層的結構沒有變化，但是其強度卻發(fā)生了改變。由此可得，混合層引起的會聚區(qū)偏移是通過改變主躍層實現(xiàn)的。

2.3 主躍層的影響

假定主躍層底部的位置以及聲速保持恒定，則其強度和結構會隨著近表層的聲速變化而變化。同樣根據(jù)計算結果看出，近表層聲速每增加5m·s-1，第一會聚區(qū)會向著遠離聲源的方向偏移1.0km ～2.0km，第三會聚區(qū)偏移量為3.0km ～5.0km。因此，主躍層的結構變化對于會聚區(qū)的偏移影響是十分巨大的。通常情況下，主躍層強度越高，則會聚區(qū)距離聲源越遠，反之亦然。

2.4 深海等溫層的影響

假定深海等溫層上界為4000m，其聲速剖面結構不變，下聲速會有一定地變化，但是仍然可以保持相同的梯度。經(jīng)過計算，深海等溫層的聲速每增加2m·s-1，第一會聚區(qū)會向著遠離聲源的方向偏移1.0km ～1.5km，第三會聚區(qū)的偏移量為2.0km ～3.0km。而根據(jù)之前的結論，聲速值的整體變化對于會聚區(qū)偏移的影響很小，則這種情況下會聚區(qū)產(chǎn)生偏移的主要原因，是聲速剖面在深海聲道軸與深海等溫層上界之間的聲速梯度差異造成的。

3 結論

綜上所述，可以得出以下結論：

1）聲速值整體變化對于會聚區(qū)偏移的影響很小，因此，真正影響會聚區(qū)聲傳播特征發(fā)生變化的因素不是聲速值，而是其剖面的垂直梯度變化；2）主躍層、混合層以及深海溫度層的變化都會引起會聚區(qū)的偏移，需要相關人員進行詳細地分析；3）深海聲速剖面結構變化下的會聚區(qū)特性對于海洋工程和國防都是非常重要的，需要相關研究人員的重視。

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