深海海底反射會(huì)聚區(qū)聲傳播特性?

張鵬 李整林 吳立新 張仁和 秦繼興

1)(中國科學(xué)院聲學(xué)研究所,聲場(chǎng)聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

2)(中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院,北京 100049)

(2018年9月26日收到;2018年11月9日收到修改稿)

在深海聲道條件下,海水折射效應(yīng)會(huì)使得聲場(chǎng)出現(xiàn)會(huì)聚效應(yīng);在不完全聲道條件下,深海海底對(duì)聲場(chǎng)具有重要影響.利用在中國南海海域收集到的一次深海聲傳播實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),研究了深海不完全聲道環(huán)境下的海底反射對(duì)聲傳播的影響.實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到不同于深海會(huì)聚區(qū)的海底反射會(huì)聚現(xiàn)象,在直達(dá)聲區(qū)范圍內(nèi)的海底地形隆起可導(dǎo)致海底反射會(huì)聚區(qū)提前形成,并使得部分影區(qū)的聲強(qiáng)明顯提高.由于不平坦海底和海面的反射破壞了完全聲道環(huán)境下的會(huì)聚區(qū)結(jié)構(gòu),在60 km范圍內(nèi)存在兩個(gè)海底反射會(huì)聚區(qū),會(huì)聚區(qū)增益可達(dá)10 dB以上,同時(shí)在11 km附近的影區(qū)和51 km附近形成高聲強(qiáng)區(qū)域.當(dāng)接收深度與聲源深度相同時(shí),第二會(huì)聚區(qū)的增益高于第一會(huì)聚區(qū).在第一會(huì)聚區(qū)內(nèi),隨著接收深度的增加,聲線到達(dá)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜,多途效應(yīng)更加明顯.使用拋物方程數(shù)值分析結(jié)合射線理論對(duì)深海海底反射會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象產(chǎn)生的物理原因進(jìn)行了分析解釋.研究結(jié)果對(duì)于聲納在深海復(fù)雜環(huán)境下的性能分析具有重要的指導(dǎo)意義.

1 引 言

聲速剖面隨深度的變化而導(dǎo)致的聲場(chǎng)會(huì)聚區(qū)效應(yīng)是深海海區(qū)一個(gè)重要的水聲環(huán)境特性[1],利用聲傳播的會(huì)聚區(qū)效應(yīng),可以更好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水聲通信和探測(cè).低頻聲信號(hào)的會(huì)聚區(qū)傳播對(duì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水聲通信系統(tǒng)和潛艇低頻噪聲的探測(cè)性能分析和預(yù)報(bào)具有重要的意義.

Hale[2]很久以前就在海上實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到很強(qiáng)的會(huì)聚區(qū)效應(yīng),并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)地研究.Urick[3]使用射線理論分析了會(huì)聚區(qū)隨聲源深度變化的情況.布列霍夫斯基赫等[4]則從波動(dòng)理論出發(fā),給出了會(huì)聚區(qū)焦散線的聚焦因子公式.Williams和Horul[5]應(yīng)用簡(jiǎn)正波理論研究海洋聲場(chǎng)的會(huì)聚現(xiàn)象,指出會(huì)聚區(qū)是由大量同相簡(jiǎn)正波的疊加形成的.張仁和[6]在聲場(chǎng)簡(jiǎn)正波理論的基礎(chǔ)上,利用廣義相積分近似得出了會(huì)聚區(qū)增益的解析表達(dá)式,解決了經(jīng)典射線理論在反轉(zhuǎn)點(diǎn)會(huì)聚區(qū)發(fā)散的困難.這些理論都深刻地揭示了海洋聲傳播的規(guī)律,能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)會(huì)聚區(qū)的位置,但他們的討論都著重于聲波在典型深海SOFAR聲道中的傳播問題.聲波在SOFAR聲道中傳播時(shí),大部分聲線在未觸及海底之前就發(fā)生反轉(zhuǎn),因而海底的影響可以忽略.在深海不完全聲道中,當(dāng)海底處的海水聲速小于海面附近聲源處的海水聲速時(shí),其聲場(chǎng)主要由海底反射聲波所形成,這個(gè)時(shí)候海底的反射損失和海底剖面成為影響海洋聲傳播的重要因素,有必要仔細(xì)考慮海底邊界的聲學(xué)特性.

張仁和等[7]應(yīng)用反轉(zhuǎn)點(diǎn)會(huì)聚區(qū)理論,引入最小掠射角的海底反射系數(shù)因子,計(jì)算討論了深海負(fù)梯度剖面下海底反射形成的會(huì)聚區(qū)的問題,并從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到最小掠射角的海底反射系數(shù).但是該論文中并沒有直接描述海底的聲學(xué)特性,理論計(jì)算的會(huì)聚區(qū)位置和增益與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也存在一定的誤差.王剛[8]應(yīng)用WKBZ簡(jiǎn)正波方法,對(duì)深海負(fù)梯度聲速剖面下的海底反射會(huì)聚區(qū)進(jìn)行了研究.范培勤等[9]利用海洋環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與反射會(huì)聚區(qū)特征參數(shù)計(jì)算模型,仿真實(shí)現(xiàn)了海底反射會(huì)聚區(qū)距離的快速預(yù)報(bào),但是缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持.針對(duì)海底地形變化以及沉積層的特性對(duì)聲傳播效應(yīng)的影響,許多水聲學(xué)者進(jìn)行了較為深入的研究[10-21].李文等[10]對(duì)深海海底山二維聲傳播規(guī)律進(jìn)行了研究,由于海底山的反射遮擋效應(yīng),深海會(huì)聚區(qū)結(jié)構(gòu)遭到破壞,傳播損失增大.秦繼興等[11]利用大陸坡海域的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析了下坡時(shí)聲源位于海面附近和淺海斜坡表面時(shí)斜坡對(duì)聲傳播的影響.胡治國等[12]、楊坤德等[13]研究了深海海底斜坡的復(fù)雜地形下的聲傳播規(guī)律,分析了不平坦海底引起的傳播損失異常的機(jī)理.

本文利用一次南海深海聲傳播實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析了存在復(fù)雜地形的不完全聲道條件下海底反射會(huì)聚區(qū)的聲傳播規(guī)律,通過射線模型分析脈沖到達(dá)結(jié)構(gòu)與本征聲線到達(dá)時(shí)間,解釋海底反射會(huì)聚現(xiàn)象.

2 深海不完全聲道條件下聲傳播

2018年4月,中科院聲學(xué)所聲場(chǎng)聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中國南海進(jìn)行了一次綜合性的海上實(shí)驗(yàn),其中主要內(nèi)容之一是研究深海復(fù)雜環(huán)境下的聲傳播特性.海上實(shí)驗(yàn)設(shè)備布放示意圖如圖1所示,采用的是實(shí)驗(yàn)船結(jié)合深海聲學(xué)接收潛標(biāo)的作業(yè)方式進(jìn)行,其中接收潛標(biāo)系統(tǒng)由20個(gè)自容式水聽器(USR)組成,USR以非等間距方式布放在85—3400 m深度范圍內(nèi),接收靈敏度為-170 dB,信號(hào)的采樣率為16 kHz.實(shí)驗(yàn)1號(hào)科考船以4節(jié)的航速拖曳發(fā)射換能器,并發(fā)射頻帶范圍為250—350 Hz的雙曲調(diào)頻(hyperbolic frequency modulated,HFM)信號(hào),拖曳換能器的深度在150 m左右.發(fā)射信號(hào)的時(shí)序如圖2所示,每次發(fā)射信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度為20 s,兩個(gè)信號(hào)間隔20 s,連續(xù)發(fā)射4次信號(hào)后再空50 s,一輪信號(hào)總共持續(xù)時(shí)間190 s.發(fā)射聲源級(jí)為192 dB.

圖3給出了聲傳播實(shí)驗(yàn)路徑上距離接收潛標(biāo)180 km范圍內(nèi)的海深.由圖3可見,傳播路徑上的海底地形變化較為復(fù)雜,20 km內(nèi)有一個(gè)高度500 m的海底小山,海底地形起伏較大,20—80 km距離上海深變化較小,地形整體較為平坦,80 km處海深急劇減小到2800 m左右,80 km以后的海深穩(wěn)定在2700 m附近.實(shí)驗(yàn)期間使用拋棄式溫鹽深探頭(conductivity temperature depth,CTD)和拋棄式溫度探頭(expendable bathy thermograph,XBT)每隔10 km對(duì)海水聲速剖面進(jìn)行了一次測(cè)量,不同距離上的聲速剖面變化較小,其中接收位置處的聲速剖面如圖4所示.圖4中黑色圓點(diǎn)表示接收陣的20個(gè)水聽器布放深度.實(shí)測(cè)的聲速剖面最大深度為1200 m,由于聲道軸以下的聲速剖面隨時(shí)間變化較為穩(wěn)定,因此1200 m以下未測(cè)量深度的聲速剖面從數(shù)據(jù)庫查詢獲得,將其與實(shí)測(cè)聲速插值連接得到完整深度的聲速剖面.由圖4可見,實(shí)驗(yàn)測(cè)線海域?yàn)檩^典型的深海不完全聲道,聲道軸位于1100 m深度附近,海底最深處聲速為1515 m/s,小于海面處海水聲速1539 m/s.圖4中藍(lán)色虛線表示拖曳聲源所在深度150 m,藍(lán)色實(shí)線表示聲源深度處的聲速,與海底處的海水聲速接近,但是在10 km以后海底位置的聲速小于聲源位置處的聲速.因此,海底對(duì)于聲波的反射作用不可忽視.

圖1 聲傳播實(shí)驗(yàn)設(shè)備布放示意圖Fig.1.Experimental con figuration.

圖2 發(fā)射信號(hào)序列示意圖Fig.2.The acoustic emission signal during the experiment.

圖3 聲傳播路徑上的海深變化Fig.3.The bathymetry along the propagation track.

圖4 實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的海水聲速剖面Fig.4.Sound speed pro file during the experiment.

為了獲得海底聲學(xué)特性,實(shí)驗(yàn)中在接收潛標(biāo)位置附近進(jìn)行了海底底質(zhì)采樣,采集的海底樣品總長(zhǎng)度為190 cm.采樣分析結(jié)果如表1所列,底質(zhì)類型為粉砂質(zhì)黏土,海底表層處沉積層的聲速和密度分布較為均勻,平均聲速為1499 m/s,平均密度為1.36 g/cm3,底質(zhì)采樣測(cè)量結(jié)果為海底參數(shù)的選取提供了重要參考依據(jù).

表1 潛標(biāo)位置附近的海底底質(zhì)采樣Table 1.Seabed sampling near the receiving array.

將實(shí)驗(yàn)中接收到的聲信號(hào)記為x(t),對(duì)其進(jìn)行脈沖壓縮來提高信噪比,得到脈壓信號(hào)xc(t),再經(jīng)過離散傅里葉變換得到信號(hào)的頻譜Xi,并且在中心頻率f0=300 Hz的實(shí)驗(yàn)發(fā)射信號(hào)帶寬內(nèi)(100 Hz)求取平均,得到窄帶信號(hào)的平均能量為

式中,Fs為采樣率,f1和f2為發(fā)射信號(hào)頻率的上下限,nf1和nf2分別為頻率上下限對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)數(shù).

實(shí)驗(yàn)的傳播損失可以表示為

式中,SL(f0)為發(fā)射換能器聲源級(jí),Mv為接收水聽器的靈敏度,EC為根據(jù)已知的發(fā)射聲源信號(hào)計(jì)算得到的脈沖壓縮時(shí)頻增益.

最后,得到傳播路徑上實(shí)驗(yàn)的二維傳播損失如圖5(a)所示.從圖5(a)中可以看到,在60 km距離內(nèi)存在兩個(gè)明顯的會(huì)聚區(qū)結(jié)構(gòu),而60 km以外的會(huì)聚區(qū)結(jié)構(gòu)并不明顯,因此我們選取前60 km距離上的傳播損失(圖5(b)).在60 km距離內(nèi)可以觀察到兩個(gè)明顯的會(huì)聚區(qū)結(jié)構(gòu),它們分別位于20和40 km的距離附近.同時(shí),在11和51 km附近可以觀測(cè)到兩個(gè)較明顯的聲增強(qiáng)區(qū)域.此外需要說明:圖5中給出了整個(gè)深度的傳播損失結(jié)果,由于實(shí)驗(yàn)中在較大深度上水聽器布放間距較大,所以繪圖時(shí)兩個(gè)相鄰接收深度中間插值得到的傳播損失結(jié)果與實(shí)際聲場(chǎng)分布情況有偏差,但在有水聽器的接收深度上,實(shí)驗(yàn)傳播損失結(jié)果可以反映實(shí)際聲場(chǎng)分布情況.

為了分析圖5所示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,使用了拋物方程近似聲場(chǎng)模型(range-dependent acoustic modelparabolic equation,RAM-PE[22,23])計(jì)算海深水平變化環(huán)境下的聲傳播損失,選擇與實(shí)驗(yàn)換能器發(fā)射信號(hào)相同的聲源中心頻率和帶寬,頻率間隔10 Hz,頻點(diǎn)數(shù)為11.海底參數(shù)選取兩層海底模型,其中沉積層厚度為20 m,根據(jù)采樣測(cè)量結(jié)果,沉積層聲速和密度分別選為1499 m/s和1.36 g/cm3,無限大基底的聲速取為1650 m/s,密度為1.8 g/cm3,沉積層和基底的衰減系數(shù)取[24]

選取兩種海底地形進(jìn)行對(duì)比,第一種地形是實(shí)驗(yàn)中同步測(cè)量的海底地形(圖3),第二種地形是接收位置處海深的平坦海底.根據(jù)聲學(xué)互易原理,理論計(jì)算時(shí)將聲源置于0 km距離處不同水聽器所在深度,在拖曳聲源深度的不同距離處接收信號(hào).由于實(shí)驗(yàn)中在聲道軸以下布設(shè)的水聽器較為稀疏,所以圖5中大深度位置直達(dá)聲區(qū)與影區(qū)之間的聲傳播損失會(huì)因插值出現(xiàn)不平滑,為避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象,模型計(jì)算時(shí)聲道軸以下的接收深度增加,最終得到兩種地形下的二維聲傳播損失(圖6).

對(duì)比圖5(b)和圖6(a)可以發(fā)現(xiàn),實(shí)測(cè)地形下仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得到的傳播損失較為符合.對(duì)比圖6中實(shí)測(cè)地形(a)和平坦地形(b)下的仿真結(jié)果,實(shí)測(cè)地形下在60 km內(nèi)存在兩個(gè)明顯的會(huì)聚區(qū)結(jié)構(gòu),聲線經(jīng)過海底小山丘的反射作用在20 km附近形成海底反射會(huì)聚區(qū),有一部分直達(dá)聲線和第一會(huì)聚區(qū)海水折射到達(dá)聲線一起經(jīng)海底反射后在40 km附近形成第二個(gè)海底反射會(huì)聚區(qū).而平坦海底環(huán)境下,部分折射路徑的聲線不與海底相互作用,經(jīng)過海水折射后到達(dá)50 km附近形成會(huì)聚區(qū),在10—40 km的影區(qū)內(nèi),海底反射使得聲能量較高,但其隨空間的分布較圖6(a)均勻.

圖5 實(shí)驗(yàn)傳播損失隨距離和深度變化 (a)0—180 km;(b)0—60 kmFig.5.Two dimensional experimental TLs:(a)0–180 km;(b)0–60 km.

圖6 RAM-PE模型計(jì)算的聲傳播損失 (a)實(shí)測(cè)海深;(b)平坦海底Fig.6.Numerical TLs results from RAM-PE model:(a)Real bathymetry;(b) flat bottom.

為了定量分析其中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,圖7給出了四個(gè)典型深度(85,145,1008和3021 m)上的傳播損失對(duì)比.圖7結(jié)果可以進(jìn)一步證實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)海底環(huán)境下的模型計(jì)算結(jié)果較為一致.實(shí)測(cè)地形下在20和40 km附近出現(xiàn)了兩個(gè)會(huì)聚區(qū),隨著接收深度增加,到1008 m深度處出現(xiàn)會(huì)聚區(qū)分裂現(xiàn)象.在本文中,將會(huì)聚區(qū)與其附近影區(qū)內(nèi)傳播損失的差值稱作會(huì)聚區(qū)增益.與第一會(huì)聚區(qū)相比,相同接收深度上第二會(huì)聚區(qū)的距離跨度更大,兩個(gè)會(huì)聚區(qū)的增益都在10 dB左右,在145 m深度上的第二會(huì)聚區(qū)增益高于其他接收深度的會(huì)聚區(qū)增益,甚至高于第一會(huì)聚區(qū).此外,在145 m深度上,距離11和51 km位置附近可觀察到兩個(gè)聲強(qiáng)增大的區(qū)域,其增益小于20和40 km處的會(huì)聚區(qū)增益,但是85 m接收深度上僅在11 km處存在聲增強(qiáng)區(qū)域,并沒有51 km處的聲強(qiáng)增大區(qū)域.

在平坦地形下,85 m深度上沒有出現(xiàn)會(huì)聚區(qū),但是在10—40 km內(nèi)存在隨空間均勻分布的聲能量增強(qiáng)區(qū)域,這個(gè)區(qū)域同樣在145 m深度上出現(xiàn),而且145 m深度上在51 km處可觀測(cè)到一個(gè)明顯的會(huì)聚區(qū),其增益達(dá)到25 dB以上,遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的會(huì)聚區(qū)增益.在1008 m深度上會(huì)聚區(qū)發(fā)生分裂,但是仍具有較高的增益.在靠近海底的3021 m處,平坦地形下的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在35 km以內(nèi)較為符合,直達(dá)聲區(qū)延伸至20 km附近,在31 km附近存在一個(gè)明顯的聲增強(qiáng)區(qū)域,增益到達(dá)15 dB以上,所以其傳播損失整體小于淺深度位置的結(jié)果.在35 km以后,隨著距離的增加,實(shí)驗(yàn)傳播損失逐漸減小,而平坦海底下聲傳播損失逐漸增大.

圖7 四個(gè)不同接收深度實(shí)驗(yàn)傳播損失與模型計(jì)算結(jié)果比較 (a)接收深度85 m;(b)接收深度145 m;(c)接收深度1008 m;(d)接收深度3021 mFig.7.Comparison of experimental TLs and numerical TLs at four different receivers:(a)85 m;(b)145 m;(c)1008 m;(d)3021 m.

3 海底反射會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象的理論解釋

為了解釋圖5和圖7中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的一些特殊深度和距離條件下的海底反射會(huì)聚現(xiàn)象,我們利用射線進(jìn)行分析.根據(jù)互易原理,圖8給出了兩種海底地形情況下聲源深度在145 m處的聲線圖,圖中0 km處黑色圓點(diǎn)表示聲源位置,黑色的虛線表示對(duì)應(yīng)的150 m的互易接收深度.其中:藍(lán)綠色聲線表示經(jīng)過多次海底海面反射的聲線,紅色聲線表示只與海底發(fā)生一次相互作用的聲線,綠色聲線表示只與海面發(fā)生作用的聲線,藍(lán)色聲線表示只經(jīng)過海水折射,不與海底、海面相互作用的聲線.在海底附近,海水聲速與聲源位置處的聲速接近,除了極少數(shù)小掠射角的聲線可以在到達(dá)海底之前發(fā)生反轉(zhuǎn),其他大部分聲線都不滿足發(fā)生反轉(zhuǎn)的條件,因此大部分聲線會(huì)與海底發(fā)生相互作用,這個(gè)結(jié)論與圖8(a)的仿真結(jié)果相符合.從圖8(a)可以看到,大多數(shù)聲線都經(jīng)過海底海面的多次反射,剩下一小部分小掠射角聲線經(jīng)過多次海底反射,不與海面相互作用.還有極少數(shù)的小掠射角聲線可以發(fā)生反轉(zhuǎn),不與海面和海底發(fā)生相互作用.圖8(b)中的一部分聲線不與海底海面相互作用,經(jīng)過水體折射后在51 km附近形成會(huì)聚區(qū),平坦海底情況下的海底附近聲速大于聲源位置處聲速,因此小掠射角的聲線在到達(dá)海底之前就可以發(fā)生反轉(zhuǎn).大掠射角的聲線經(jīng)海底海面多次反射或者只經(jīng)過一次海底反射,在第一影區(qū)范圍內(nèi)形成較高聲能量,但是并沒有形成會(huì)聚區(qū)結(jié)構(gòu).觀察圖8中聲線軌跡,發(fā)現(xiàn)大量的聲線經(jīng)過多次海底反射到達(dá)海底后會(huì)被完全吸收,這是由于海底沉積層聲速較小,對(duì)到達(dá)海底的聲吸收較強(qiáng),除了極少數(shù)小掠射角的聲線不與海底相互作用或者相互作用次數(shù)較少,大多數(shù)經(jīng)多次海底反射后的反射損失較大,這也可以解釋圖5(a)中60 km以后聲能量較弱,會(huì)聚區(qū)結(jié)構(gòu)不明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

圖8 145 m深度聲源的聲線圖 (a)實(shí)測(cè)地形;(b)平坦地形.黑色圓點(diǎn)表示聲源深度在145 m深度,黑色虛線表示150 m互易接收深度Fig.8.Rays traces for two different bathymetry:(a)The real bathymetry;(b)the flat bottom.Black dots mark the source depth at 145 m,and black dashed line indicates the receiver depth at 150 m.

觀察圖8(a)中150 m深度上的聲線,可見實(shí)測(cè)地形下在20和40 km附近有大量聲線到達(dá),對(duì)應(yīng)圖7(b)中的兩個(gè)海底反射會(huì)聚區(qū).在11和51 km附近也有一部分聲線到達(dá),形成了聲能量相對(duì)較高的區(qū)域,其中51 km附近是由于少量經(jīng)海水折射后到達(dá)的聲線引起的聲能量增強(qiáng),這與傳播損失仿真的結(jié)果相符合.平坦海底(圖8(b))下聲線雖經(jīng)過多次海底反射,但沒有出現(xiàn)類似圖8(a)中由于海底小山的遮擋作用導(dǎo)致的聲線在某一區(qū)域比較集中到達(dá)的現(xiàn)象,所以在10—40 km范圍內(nèi)聲場(chǎng)分布較為均勻.與圖8(a)相比,有較多的小掠射角聲線會(huì)經(jīng)過海水折射后在51 km附近形成反轉(zhuǎn)點(diǎn)會(huì)聚區(qū).這些聲線仿真結(jié)果與圖7(b)中兩種地形情況下的傳播損失結(jié)果相匹配.

圖9給出了85,1008,和3021 m這三個(gè)互易聲源深度上的聲線圖.圖9(a)和圖9(b)兩種地形條件下的85 m聲源深度上,由于其聲速大于海底附近聲速,不滿足聲線發(fā)生反轉(zhuǎn)的條件,聲線都會(huì)與海底相互作用.圖9(a)中聲線經(jīng)不平海底的一次反射后在11,20 km附近聚集,第一海底反射會(huì)聚區(qū)20 km處的聲線經(jīng)30 km處的海底反射在40 km附近聚集形成第二個(gè)海底反射會(huì)聚區(qū),在51 km沒有海水折射的聲線到達(dá),因此在圖7(a)中的85 m接收深度上的這個(gè)位置處并沒有觀察到聲增強(qiáng)區(qū)域.圖9(b)中聲線沒有出現(xiàn)圖9(a)中在部分距離上相對(duì)集中的到達(dá)形成的會(huì)聚區(qū)域,而是相對(duì)均勻地分布在10—40 km的距離上,形成了圖7(a)中的高聲強(qiáng)區(qū)域.圖9(c)在1008 m聲道軸附近的聲源深度上,20 km距離處,左側(cè)僅有經(jīng)過一次海底海面反射的聲線到達(dá),右側(cè)除了一次海底海面反射到達(dá)的聲線,還有一部分只經(jīng)過一次海底反射到達(dá)的聲線,因此右側(cè)的聲增益高于左側(cè);在40 km處也有明顯的分裂現(xiàn)象;51 km附近并沒有聲線到達(dá),因此在圖7(c)的1008 m接收深度上的51 km距離處沒有出現(xiàn)聲增強(qiáng)區(qū)域.圖9(d)的平坦地形下,40 km以內(nèi)的聲線到達(dá)相對(duì)均勻,在45和56 km處有部分只經(jīng)過海水折射的聲線到達(dá),形成圖7(c)中兩個(gè)高聲強(qiáng)的會(huì)聚區(qū)分裂結(jié)構(gòu).

圖9(e)和圖9(f)在海底附近的聲源深度上,20 km以內(nèi)有大量的直達(dá)聲線和一次海底反射聲線,因此聲能量較高,在30 km處,大量的兩次海底反射聲線和部分直達(dá)聲線到達(dá),傳播損失較小.但是,由于海底反射損失的聲能量較大,因此增益小于20 km以內(nèi)的區(qū)域.40 km以外的距離上,實(shí)測(cè)地形下有多次海底反射聲線到達(dá),且到達(dá)數(shù)量隨著距離的增加而增多,平坦海底下40 km以后僅有較少數(shù)的多次海底反射聲線到達(dá),且隨著距離的增加,到達(dá)聲線與海底作用的次數(shù)逐漸增加,因此傳播損失小于實(shí)測(cè)地形且差距逐漸增大.

圖9 三個(gè)不同聲源深度對(duì)應(yīng)的聲線圖 (a)實(shí)測(cè)海底聲線,聲源深度85 m;(b)平坦海底聲線,聲源深度85 m;(c)實(shí)測(cè)海底聲線,聲源深度1008 m;(d)平坦海底聲線,聲源深度1008 m;(e)實(shí)測(cè)海底聲線,聲源深度3021 m;(f)平坦海底聲線,聲源深度3021 mFig.9.Comparison of rays traces for different bathymetries at three source depths:(a)The real bathymetry and the source depth at 85 m;(b)the flat bottom and the source depth at 85 m;(c)the real bathymetry and the source depth at 1008 m;(d)the flat bottom and the source depth at 1008 m;(e)the real bathymetry and the source depth at 3021 m;(f)the flat bottom and the source depth at 3021 m.

圖10 四個(gè)不同距離處的本征聲線和時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu) (a)和(b)表示11 km聲源的本征聲線和到達(dá)結(jié)構(gòu);(c)和(d)表示20 km聲源的本征聲線和到達(dá)結(jié)構(gòu);(e)和(f)表示42 km聲源的本征聲線和到達(dá)結(jié)構(gòu);(g)和(h)表示51 km聲源的本征聲線和到達(dá)結(jié)構(gòu)Fig.10.Comparison of the eigenrays and arrivals at four different ranges,where(a)and(b)for the source range at 11 km,(c)and(d)for the source range at 20 km,(e)and(f)for the source range at 42 km,(g)and(h)for the source range at 51 km.

為了進(jìn)一步研究分析距離在20,40 km處兩個(gè)海底反射會(huì)聚區(qū)以及11,51 km處兩個(gè)聲強(qiáng)較高區(qū)域?qū)嶒?yàn)的聲傳播損失變化特性,計(jì)算了聲源位于這四個(gè)距離附近處的S點(diǎn)的本征聲線及對(duì)應(yīng)的時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu),其中接收點(diǎn)R深度為145 m.結(jié)果如圖10所示,其中:時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu)中黑色線表示聲線掠射角小于10?,藍(lán)綠色線表示掠射角在10?—20?內(nèi)的時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu),其他掠射角度的到達(dá)結(jié)構(gòu)用藍(lán)色表示.

由圖10可見,在11 km處聲線只經(jīng)過一次海底反射到達(dá),能量損失較小,可以形成聲強(qiáng)較高的區(qū)域,但是該區(qū)域內(nèi)只有大掠射角的聲線到達(dá),多途到達(dá)產(chǎn)生的時(shí)間展寬相對(duì)20 km處較大;在20 km處,由于海底小山對(duì)第一海底反射會(huì)聚區(qū)的形成有較大影響,大量聲線與海底小山的斜坡面發(fā)生相互作用,經(jīng)過一次海底反射到達(dá)接收處.第二海底反射會(huì)聚區(qū)的聲線有兩次較為集中的到達(dá),一部分小掠射角的聲線經(jīng)過一次海底反射,另一部分大掠射角的聲線到達(dá)第一會(huì)聚區(qū)后再次經(jīng)過海底反射到達(dá)42 km處,但是第二次到達(dá)的聲壓幅度相對(duì)較低.對(duì)比圖10(d)和圖10(f)發(fā)現(xiàn),與第一海底反射會(huì)聚區(qū)相比,第二海底反射會(huì)聚區(qū)內(nèi)一次海底反射到達(dá)聲線的幅值更高,因?yàn)榈诙５追瓷鋾?huì)聚區(qū)到達(dá)聲線入射海底時(shí)的掠射角小于第一會(huì)聚區(qū),海底反射損失的聲能量相對(duì)更低,而且有部分來自兩次海底反射聲線的貢獻(xiàn),因此圖7(b)的實(shí)驗(yàn)傳播損失中觀察到第二會(huì)聚區(qū)相比第一會(huì)聚區(qū)有更高的增益,而且第二會(huì)聚區(qū)多途結(jié)構(gòu)更明顯.在51 km處,聲線經(jīng)過兩次海底反射到達(dá)接收位置,大量的聲能量在與海底、海面的相互作用中衰減掉,只有極少數(shù)小掠射角的聲線只經(jīng)過水體折射到達(dá)接收位置,因此51 km聲增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的增益小于前面的兩次海底反射會(huì)聚區(qū).

對(duì)比圖9中平坦海底地形和實(shí)測(cè)海底地形條件下的聲線圖,海底小山的存在對(duì)海底反射會(huì)聚區(qū)的提前形成具有重要的貢獻(xiàn).為了分析海底小山丘對(duì)于會(huì)聚區(qū)形成的具體影響,圖11給出了在第一反射會(huì)聚區(qū)內(nèi)(20 km)四個(gè)不同接收深度處(85,406,1008,和3021 m)的本征聲線、時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)測(cè)量的時(shí)域脈沖到達(dá)結(jié)構(gòu),可見四個(gè)深度上理論計(jì)算的時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較符合.隨著接收深度的增加,第一會(huì)聚區(qū)內(nèi)到達(dá)接收點(diǎn)的聲線與海底相互作用的范圍增大,聲線到達(dá)的路徑趨于復(fù)雜.在較淺的兩個(gè)接收深度上,僅有一次海底反射的聲線到達(dá)接收點(diǎn),1008 m接收深度上的到達(dá)聲線包含一次海底反射和兩次海底反射聲線,其中一次海底反射聲線分兩次集中到達(dá),多途結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜.在接近海底的3021 m接收深度上,除了海底反射聲線,還有直達(dá)聲線到達(dá)接收點(diǎn).直達(dá)聲線的能量損失較小,其幅值遠(yuǎn)大于其他路徑到達(dá)聲線,也大于其他接收深度,因此20 km海底附近的傳播損失小于其他深度.

圖11 第一海底反射會(huì)聚區(qū)不同接收深度本征聲線和時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu)比較 (a)85 m接收深度;(b)406 m接收深度;(c)1008 m接收深度;(d)3021 m接收深度Fig.11.Comparison of eigenrays and arrivals at different receiver depths in the first bottom re flection convergence zone:(a)The receiver depth at 85 m;(b)the receiver depth at 406 m;(c)the receiver depth at 1008 m;(d)for the receiver depth of 3021 m.

4 總 結(jié)

本文利用2018年4月南海聲傳播實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及同步海洋環(huán)境資料,對(duì)深海海底反射會(huì)聚區(qū)聲傳播特性進(jìn)行了研究.基于拋物方程數(shù)值分析結(jié)合射線理論對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析,很好地解釋了水平變化的海底地形環(huán)境下海底反射會(huì)聚區(qū)形成的機(jī)理.結(jié)果表明:直達(dá)聲覆蓋距離范圍內(nèi)的海底地形變化對(duì)海底反射會(huì)聚區(qū)的形成及傳播特性具有很大的影響,在20和40 km距離附近形成兩個(gè)明顯的海底反射會(huì)聚區(qū)結(jié)構(gòu),其增益達(dá)10 dB.由于海底地形隨距離逐漸變淺,破壞了水平不變深海環(huán)境下原有的會(huì)聚區(qū)結(jié)構(gòu),折射到達(dá)的聲線路徑變小,使得對(duì)應(yīng)距離下的聲場(chǎng)能量小于海底反射會(huì)聚區(qū).當(dāng)聲源深度與接收深度都處于相對(duì)較淺的相同深度時(shí),隨著一次海底反射聲線海底反射能量損失的減小以及到達(dá)聲線數(shù)量的增加,第二會(huì)聚區(qū)的增益高于第一會(huì)聚區(qū).在第一反射會(huì)聚區(qū)內(nèi),隨著接收深度的增加,聲線到達(dá)的路徑逐漸增加,聲線到達(dá)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜,多途效應(yīng)更加明顯.此外,由于海底小山的反射作用,大角度聲線經(jīng)海底反射導(dǎo)致部分深度上的海底反射會(huì)聚區(qū)可提前到11 km.研究結(jié)果為聲納在深海復(fù)雜地形下的應(yīng)用及性能環(huán)境效應(yīng)分析具有重要借鑒意義.

感謝參與2018年春季南中國海聲傳播實(shí)驗(yàn)的全體工作人員,是他們的辛勤勞動(dòng)為本文提供了可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).