中尺度渦條件下的深海聲場效應(yīng)研究

張 林, 劉 東, 陳文景, 孫雪海

中尺度渦條件下的深海聲場效應(yīng)研究

張 林1, 2, 劉 東1, 2, 陳文景2, 孫雪海1, 2

(1. 海軍潛艇學(xué)院, 山東 青島 266199; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實驗室, 山東 青島 266237)

通過構(gòu)建中尺度渦的數(shù)學(xué)模型, 利用射線-簡正波-拋物方程(RMPE)聲學(xué)模型進(jìn)行傳播損失計算, 進(jìn)而分析在深海聲道、深海會聚區(qū)、海底反射3種傳播模式下, 中尺度渦對深海聲效應(yīng)的影響。數(shù)值仿真結(jié)果顯示, 暖渦對深海聲道、會聚區(qū)產(chǎn)生下壓效果, 使會聚區(qū)水平距離變大, 深海聲道深度方向上變寬; 冷渦使會聚區(qū)上抬, 距離變短, 對聲場散射現(xiàn)象明顯。研究結(jié)果表明, 渦旋環(huán)境條件下, 聲場特征會產(chǎn)生顯著變化。試驗結(jié)果揭示了中尺度渦對深海聲場效應(yīng)的影響, 對指導(dǎo)海上運(yùn)用中尺度渦現(xiàn)象開展的科學(xué)研究、工程實踐、軍事運(yùn)用具有積極的指導(dǎo)意義。

中尺度渦; 傳播損失; 聲學(xué)模型; 會聚區(qū)

海洋渦旋是指一種特性的水團(tuán)被另一種特性不同的水體所包圍, 同時自身具有封閉的順時針或逆時針方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的海洋中尺度特征[1]。渦旋是海洋中一種旋轉(zhuǎn)的、平移的水體, 可類比于大氣中的颶風(fēng)現(xiàn)象。從本質(zhì)上看渦旋是一種特殊類型的海洋鋒。從渦旋的中心水體的溫度特性來分, 一般將其分為冷渦和暖渦。海洋中存在大量的渦旋, 在黑潮流經(jīng)的區(qū)域和灣流區(qū)域是典型的渦旋活動區(qū)域, 典型的渦旋直徑在100~300 km, 時間尺度約為20~200 d, 表面旋轉(zhuǎn)速度可以達(dá)到3 kn以上, 渦旋中心的移動速度比較緩慢, 從產(chǎn)生到消亡的周期可以達(dá)1年之久。由于海洋渦可以相對較長時間穩(wěn)定存在, 且空間尺度也比較大, 因此研究其對聲傳播的影響, 意義重大。

李佳訊[2]等人用MMPE(monterey-miami parabolic equation)聲學(xué)模型研究了海洋渦的性質(zhì)、強(qiáng)度、位置、聲源頻率、置放深度等對聲傳播的影響。張旭[3-4]等人則從海洋渦環(huán)境和海底地形兩個角度來研究聲場效應(yīng)。程天際[5]等人利用動態(tài)射線尋跡方法構(gòu)造中尺度渦模型和水聲傳播模型耦合模型, 并進(jìn)一步研究渦環(huán)境下水聲傳播規(guī)律。劉陽洋[6]討論分析了中尺度海洋渦對匹配場時間和空間相關(guān)的影響。張林林[7]運(yùn)用潛用ADCP在西太平洋觀測到中尺度渦在垂直結(jié)構(gòu)上隨緯度會發(fā)生變化。

RMPE(Ray-Model-Parabolic equation, 射線-簡正波-拋物方程)模型是基于射線-簡正波模型, 將射線模型和拋物方程模型相結(jié)合, 針對水平變化環(huán)境而提出的水聲傳播模型, 數(shù)值仿真結(jié)果顯示, 該模型對水平環(huán)境變化海域的聲場計算問題適用性較強(qiáng)[8-9]。本文對海洋渦模型進(jìn)行構(gòu)建, 利用RMPE模型計算海洋渦環(huán)境下聲傳播損失, 分為深海聲道、深海會聚區(qū)和海底反射3種模式分別進(jìn)行計算研究。

1 中尺度渦及聲場數(shù)值模型

1.1 中尺度渦模型

構(gòu)建海洋渦模型, 采用Munk聲速剖面作為深海無渦時海區(qū)的聲速剖面, 疊加高斯渦。渦中的聲速由以下公式確定[2, 10]:

利用Matlab仿真, 取水平距離200 km, 深度5 000 m, DR=80 km, DZ=800 m,c=800 m,0=1 000 m,=450。通過調(diào)整渦強(qiáng)DC可以得到冷渦、暖渦以及渦的強(qiáng)度, 調(diào)整渦心水平位置c來研究向渦內(nèi)傳還是向渦外傳。當(dāng)c=100 km時, 分別取DC=+80和 DC=–80, 得到暖渦和冷渦的聲速分布圖如圖1。

圖1 暖渦和冷渦聲速分布

1.2 RMPE理論

水平變化的海洋環(huán)境中, 在柱坐標(biāo)系下, 聲波滿足下列波動方程[8-9]:

為介質(zhì)密度,為介質(zhì)中聲速,為聲壓,為圓頻率,s為聲源深度。

邊界條件:

–()、+()分別表示海底處的上下表面, ?/?為海底斜面法線方向的偏導(dǎo)數(shù)。

設(shè)解的形式為:

邊界條件:

將(7)式代入(6)式, 在絕熱近似條件下, 經(jīng)過化簡, 得:

解得:

從而可以得到聲強(qiáng)和傳播損失表達(dá)式TL (Trans-mission Loss):

2 中尺度渦條件下的深海聲場效應(yīng)

中尺度渦所引起的聲速場的擾動能夠?qū)β晜鞑ボ壽E產(chǎn)生重大影響, 根據(jù)聲傳播的基本規(guī)律, 聲線總是彎向聲速小的方向, 暖渦中心溫度高, 使聲波輻散, 冷渦則相反, 使聲波輻聚。渦的出現(xiàn)改變了聲速梯度(正梯度或負(fù)梯度), 進(jìn)而影響了表層、深層信道中聲的傳播。

下面從深海聲道、深海會聚區(qū)、海底反射3種傳播模式, 采用RMPE聲傳播模型, 具體分析中尺度海洋渦環(huán)境下, 深海聲場效應(yīng)。

2.1 深海聲道傳播模式

圖2 無渦時深海聲道傳播損失

比較圖2、圖3、圖4, 在深海聲道傳播模式下, 聲波經(jīng)過暖渦時, 聲道深度發(fā)生下壓, 穿過暖渦之后, 聲道又逐漸回到原來深度, 且渦強(qiáng)越強(qiáng)現(xiàn)象越明顯, 暖渦作用下, 聲道的寬度發(fā)生明顯的增寬。當(dāng)聲波經(jīng)過冷渦時, 聲道特征變得模糊, 冷渦的存在使聲道傳播發(fā)生散射, 聲波均勻散布于整片海域, 當(dāng)渦強(qiáng)變?nèi)鯐r, 深海聲道現(xiàn)象又逐漸明顯。

圖3 深海聲道傳播模式下不同渦強(qiáng)聲波在暖渦傳播損失

圖4 深海聲道傳播模式下不同渦強(qiáng)聲波在冷渦傳播損失

2.2 深海會聚區(qū)傳播模式

聲源深度100 m時, 為會聚區(qū)傳播模式。水平距離變?yōu)?00 km, 其余計算條件不變。圖6為無渦時的傳播損失, 圖7為渦強(qiáng)DC分別為+80、+70、+60、+50、+40、+30時, 聲波在暖渦的傳播情況。圖8為渦強(qiáng)DC分別為–80、–70、–60、–50、–40、–30時, 聲波在冷渦的傳播情況。

圖5 無渦時深海會聚區(qū)傳播損失

比較圖5、圖6、圖7, 在深海會聚區(qū)傳播模式下, 聲波經(jīng)過暖渦時, 會聚區(qū)深度發(fā)生明顯下壓, 渦強(qiáng)為+80時, 深度下壓到1 000 m左右, 并且會聚區(qū)的深度穿過暖渦之后, 會聚區(qū)深度開始恢復(fù)正常深度; 聲波經(jīng)過冷渦時, 會聚區(qū)發(fā)生抬升效果, 且會聚區(qū)寬度變窄。

2.3 海底反射傳播模式

聲源深度100 m, 水平距離變?yōu)?00 km, 計算深度變?yōu)? 000 m, 其余計算條件不變。圖9為無渦時的傳播損失, 圖10為渦強(qiáng)DC分別為+80、+70、+60、+50、+40、+30時, 聲波在暖渦的傳播情況。圖11為渦強(qiáng)DC分別為–80、–70、–60、–50、–40、–30時, 聲波在冷渦的傳播情況。

比較圖8、圖9、圖10, 在海底反射傳播模式下, 聲波經(jīng)過暖渦時, 反射會聚區(qū)下壓, 會聚區(qū)特征變?nèi)? 且經(jīng)過暖渦的聲傳播損失明顯變大; 經(jīng)過冷渦時反射會聚區(qū)上抬, 有轉(zhuǎn)變?yōu)榉D(zhuǎn)會聚區(qū)的趨勢, 而且冷渦位置處會聚區(qū)的距離明顯變窄。

3 結(jié)論

與不存在中尺度渦相比, 聲波在深海傳播經(jīng)過中尺度渦時, 聲場的主要特性會發(fā)生明顯的改變, 其中包括會聚區(qū)的偏移聲波散射等。數(shù)值仿真結(jié)果顯示, 暖渦對深海聲道、會聚區(qū)產(chǎn)生下壓效果, 使會聚區(qū)水平距離變大, 深海聲道深度方向上變寬; 冷渦使會聚區(qū)上抬, 距離變短, 對聲場散射現(xiàn)象明顯。文中通過數(shù)值仿真直觀的展示出聲波在一定范圍內(nèi)傳播損失情況, 可以為深海聲傳播特性分析提供借鑒, 并在一定程度上對潛艇進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)機(jī)動和反潛戰(zhàn)過程中, 提供輔助性決策。

圖6 深海會聚區(qū)模式下不同渦強(qiáng)聲波在暖渦傳播損失

圖7 深海會聚區(qū)模式下不同渦強(qiáng)聲波在冷渦傳播損失

圖8 無渦時海底反射傳播損失

與射線學(xué)Bellhop模型、拋物近似模型FOR3D、MMPE模型對比來看, 本文采用的RMPE模型在研究中尺度渦對水下聲傳播的影響時, 得到的基本結(jié)論類似, 即中尺度渦會對聲傳播造成影響, 暖渦和冷渦會表現(xiàn)出不同的傳播規(guī)律, 例如暖渦使會聚區(qū)水平方向上變大, 而冷渦表現(xiàn)為寬度變窄。

圖9 海底反射傳播模式下不同渦強(qiáng)聲波在暖渦傳播損失

RMPE模型可以很好地用于研究水聲傳播規(guī)律, 下一步的工作將根據(jù)真實海洋渦測量數(shù)據(jù)構(gòu)建渦模型, 分析聲波在中尺度渦傳播環(huán)境下, 傳播損失的具體數(shù)值變化, 研究不同位置的傳播損失情況, 從而直接給出潛艇或水面艦最佳的規(guī)避和探測位置。

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Deep-sea acoustic field effect under mesoscale eddy conditions

ZHANG Lin1, 2, LIU Dong1, 2, CHEN Wen-jing2, SUN Xue-hai1, 2

(1. Navy Submarine Academy, Qingdao 266199, China; 2. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China)

Numerical simulation tests can be performed for qualitatively understanding their effect on sound propagation. In ocean eddy environments, sound wave transmission will vary greatly due to changes in the sound velocity field. In the present paper, transmission loss was calculated using the ray-normal wave-parabola equation (RMPE) acoustic model by constructing the mathematical model of the mesoscale eddy. Next, the influence of the mesoscale eddy on the sound effect in deep sea was analyzed under the following three transmission modes: deep sea channel, deep sea convergence zone, and seafloor reflection. The numerical simulation results show that the warm eddy exerts a downward pressure effect on the deep-sea sound channel and convergence zone, which increases the horizontal distance of the convergence area and broadens the depth direction of the deep-sea sound channel. Meanwhile, the cold eddy elevates the convergence area and shortens the distance of the deep-sea sound channel. This phenomenon of scattering of the sound fields is apparent. The results showed that the characteristics of sound fields will change significantly under different eddy environments.These experimental results revealed the influence of mesoscale vortices on the deep-sea sound field effect, which is significant for scientific research, engineering practices, and military applications utilizing the mesoscale vortices at sea.

mesoscale eddy; transmission loss; acoustic model; convergence zone

June 25, 2019

P733.21

A

1000-3096(2020)03-0066-08

10.11759/hykx20190625002

2019-06-25;

2019-09-17

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃資助項目(2017YFB0202701)

[National Key R&D Program of China, No.2017YFB0202701]

張林(1979-), 男, 山東青島人, 副教授, 博士, 研究方向為水聲環(huán)境效應(yīng)技術(shù), 電話: 0532-51858691, E-mail: zhanglinqtxy@163.com; 陳文景,通信作者, E-mail: chenwenjingmail@qq.com

(本文編輯: 劉珊珊)