大陸架低頻聲傳播建模研究

鹿力成1，2?　馬 力1，2

（1中國科學院水聲環境特性重點實驗室　北京　100190）（2中國科學院聲學研究所　北京　100190）

?研究報告?

大陸架低頻聲傳播建模研究

鹿力成1，2?馬 力1，2

（1中國科學院水聲環境特性重點實驗室北京100190）（2中國科學院聲學研究所北京100190）

在過去的幾十年中大陸架斜坡海域的低頻聲傳播得到越來越多的重視。針對爆炸聲作為聲源的一次海上實驗測量數據，對大陸架海域的低頻遠距離聲傳播進行了建模研究。在實驗過程中單水聽器布放在水下大約240 m處接收爆炸聲信號，對兩條不同測線的傳播損失進行了處理。本文結合海底地聲模型并考慮了聲速剖面的水平變化，利用拋物方程方法對傳播損失進行建模。模擬計算該海域的傳播損失同實驗測量數據相比具有較好的一致性。

低頻聲傳播，傳播損失，大陸架斜坡，地聲模型

1　引言

在過去的幾十年中，大陸架斜坡海洋環境中的聲傳播研究在理論［1-4］和實驗［5-8］都得到越來越多的重視。在聲傳播建模過程中需要考慮眾多因素，如海水聲速剖面結構、海底地形變化、海面粗糙度、海底粗糙度和海底介質的聲學特性等。然而在多數低頻情況下忽略了海面和海底的粗糙度對聲傳播的影響。S.E.Dosso等［5］人觀測到了由于海底地形變化引起了聲傳播聚焦特性。Juan［6］分析了海底地形變化測量精度和海底地聲反演模型對低頻聲傳播的影響。俄羅斯的R.A.Vadov［7］和A.V. Mikryukov［8］分別分析了從深海到淺海的遠距離聲傳播問題。潘長明［9］分析了聲速剖面的變化對聲傳播的影響。

為了研究大陸架斜坡海域的低頻聲傳播特性，在大陸坡沿著兩條不同測線進行了一次海上聲傳播實驗，該海域海底地形變化非常復雜。本文給出了聲波沿大陸架上坡方向傳播的實驗結果，并建立了大陸架海域海底地聲模型。利用該海底地聲模型對聲傳播理論計算并與實驗數據進行對比。

2　實驗介紹和數據處理

2010年在大陸坡架海域進行了一次聲傳播測量實驗。自容式單水聽器布放在水下大約240 m接收爆炸聲信號。實驗船沿著兩條確定測線投放爆炸聲源，爆炸聲源間距大約1.2 km，爆炸深度大約295 m。實驗船分別沿著H-A和H-B航線投放爆炸聲源。圖1分別給出了兩個測線海底地形變化和在航行過程中測量的聲速剖面。H-A航線上H點處海深650 m，隨著距離增加逐漸變深，在76 km處海深為2880 m，然后開始變淺越過一個小的海底山。H-B航線上海深逐漸增加，在60 km處達到1800 m，然后有一個較為平坦的海底盆地。聲速剖面是通過在航行過程中投放的XBT測量的溫度剖面得到。XBT的最大測量深度為500 m，其它深度上的聲速是通過在A點和B點利用CTD測量聲速剖面差值得到。圖2給出了在A點和B點利用CTD測量的聲速剖面，聲速最小值的深度大約為1200 m處。

水聽器接收到爆炸聲信號進行傅里葉變換，在1/3倍頻程內得到聲能量計算傳播損失，傳播損失計算的頻率范圍為50 Hz～400 Hz。傳播損失的計算公式如下：

其中TL為傳播損失，SL為聲源級，RL為接收信號的聲壓級。在整個實驗過程中使用的是一種標準爆炸聲源，每個爆炸聲的源級相差很小，圖3給出了13個該類爆炸聲的源級平均值和方差，可以看出在低頻段內聲源級的變化非常小，其中方差的最大值為0.77 dB。

圖1　兩條航線上的海深和聲速剖面Fig.1 Water depth variation and sound speed profiles along the two tracks

圖2　A點和B點測量的聲速剖面（CTD）Fig.2 The measured sound speed profiles at A and B（CTD）

為了保證接收到遠距離爆炸聲信號的有效性，選取頻域上信噪比大于10 dB的頻段計算聲傳播損失，中心頻率為50 Hz，90 Hz，200 Hz和400 Hz，帶寬為1/3倍頻程。圖4給出了兩條測線上不同頻率的聲傳播損失曲線，其中實線為H-A測線上的傳播損失，點虛線為H-B測線上的傳播損失。在50 Hz時兩條測線上的傳播損失差別不大，而在較高頻率50 km外測線H-B傳播損失比H-A傳播損失大10 dB以上。H-A測線上在100 km處由于海底地形的變化傳播損失突然減小很多，而對于H-B測線傳播損失在60 km以外變化很小。

圖3　爆炸聲源級Fig.3 Source level of detonation

圖4　中心頻率為50 Hz，90 Hz，200 Hz和400 Hz傳播損失曲線Fig.4 Transmission losses versus range for the 1/3-oct bands centered at 50 Hz，90 Hz，200 Hz and 400 Hz

3　聲傳播建模

本文采用M.D.Collins［10］給出的拋物線方法（PE）對水平變化情況下的傳播損失建模。這種水平變化環境下的聲場計算程序（RAM）是基于分裂步進的Padé近似求解聲波方程，它能夠計算寬角度的傳播模態和通過能量守恒的方法修正分界面問題。

傳播損失的建模需要考慮幾何擴展、水中吸收和海底的相互作用。水中的吸收系數利用Urick［11］給出的半經驗公式計算得到

這里頻率是千赫茲（kHz）。通過對RAM聲場計算程序進行修改，使它能夠處理包含水中衰減的傳播問題。數值仿真結果表明在150 km范圍內，即使在400 Hz水中的衰減系數為0.02 dB/km，水中的衰減對傳播損失的計算影響很小。因此在后面的數值計算中忽略了海水的衰減。

海底的地聲模型為一個沉積層覆蓋在半無限大基底層上。盧博［12］和鄒大鵬［13］指出大陸架區域海底沉積層是高聲速海底。盧博給出了大陸架區域海底采樣的平均值為1490 m/s，而鄒大鵬建立了一個高聲速的海底地聲模型，海底表層聲速為1507 m/s。假設大陸架上基底層的聲速隨距離水平變化很小，根據Lu等［14］反演獲得該海域的大陸架基地聲速為1750 m/s。通過數值模擬傳播損失和實驗數據比較，結合上面海底地聲模型的分析，建立的地聲模型如圖5所示。海底表層的聲速為1500 m/s，聲速梯度為3 s-1，沉積層厚度為10 m，沉積層和基底層的密度分布為1.5 g/cm3和1.7 g/cm3，海底的衰減系數為

這里頻率單位為千赫茲（kHz）。將建立的海底地聲模型、實驗過程中測量的海底地形和聲速剖面帶入聲場計算模型。為了和測量的傳播損失比較，數值模擬傳播損失的計算為1/3倍頻程內20個頻率點的相干傳播均值。圖6和圖7分別給出了RAM模型計算的傳播損失和實驗數據對比，兩者符合較好。

圖5　海底地聲模型Fig.5 Seabed geoacoustic model

圖6　模擬傳播損失與試驗數據對比（H-A）Fig.6 Comparison of PE model results with measured TL（Track H-A）

在H-A航線100 km處，從模擬結果明顯能看到聲場聚焦現象。在H-B航線70 km處，除了400 Hz以外其它頻率的聲傳播損失增加很多，而400 Hz的聲傳播損失在75 km和100 km處有小的突起，即傳播損失變小。這些小的突起對海底表層的聲速非常敏感。H-B航線60 km以外海深變化范圍1800～2000 m，在這個深度上海水的聲速大約1492 m/s，只有海底聲速高于水中聲速模擬的傳播損失才能和實驗中觀察到的傳播損失小突起相吻合（圖7圓圈所示）。圖8數值模擬了海底表層聲速分別為1500 m/s和1510 m/s時的傳播損失曲線。海底表層聲速只能比海底海水聲速略大，如果海底聲速過大模擬的傳播損失將會出現很大的突起。這也是在前面地聲建模中選取了沉積表層聲速為1500 m/s的一個重要原因。

在上面的計算中考慮了海水聲速剖面的水平變化情況。圖9給出了不同距離上從海面到水深500 m處的海水聲速剖面變化情況。由于聲源深度和接收水聽器深度都在240 m以下，因此嘗試利用平均聲速剖面代替水平變化情況下的聲速剖面計算H-A航線傳播損失，如圖10所示。通過模擬計算發現平均聲速剖面計算的傳播損失和水平變化情況下計算的傳播損失差別很小，H-B航線有類似結果，說明在這種情況下聲速剖面的水平變化對聲傳播損失影響很小。

圖7　模擬傳播損失與試驗數據對比（H-B）Fig.7 Comparison of PE model results with measured TL（Track H-B）

圖8　數值模擬不同的海底聲速下傳播損失（400 Hz）Fig.8 Simulation of TL using different seabed velocities（400 Hz）

圖9　H-A航線聲速剖面變化情況Fig.9 The sound speed profile of different ranges in top 500 m

圖10　平均聲速剖面代替水平變化聲速剖面（H-A航線）Fig.10 Comparison of TL between range dependent SSP and average SSP（Track H-A）

4　結論

本文分析了大陸架海域低頻聲傳播數據，給出了50 Hz～400 Hz帶寬內四個頻率點處帶寬為1/3倍頻程的聲傳播損失。在整個實驗過程中對海底的地形和聲速剖面同時進行了測量。利用單水聽器接收爆炸聲信號，對兩條大陸架海域的不同航行的傳播損失數據進行了分析。兩條航向上的聲傳播有較大差別，H-A航向的傳播損失小于H-B航向的傳播損失。用水平距離變化的聲場計算模型對傳播數據進行了模擬。建立了具有兩層結構的海底地聲模型，計算的傳播損失和實驗數據符合較好。然而在傳播損失對比中還是有一些缺點，如H-A航向上，50 Hz模擬的傳播損失較實驗數據偏大，這可能是因為建立的水聲環境模型相對比較簡單。上百公里范圍水聲環境是復雜多變的，建立相對復雜和體現真實海洋環境的模型是進一步的研究工作。

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Modeling of low frequency acoustic propagation loss across a continental shelf

LU Licheng1，2MA Li1，2
（1 Key Laboratory of Underwater Acoustic Environment，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）（2 Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

The study of acoustic propagation in a continental shelf sloping-bottom ocean environment has received much more attention in the past several decades.Measurements of low frequency acoustic propagation loss using explosive charges as sources were obtained in an experiment over a continental shelf in the sea trial. During the experiment，a single hydrophone was deployed at about 240 m to receive the signal of explosive charges.Two transmissions losses of different tracks across the continental shelf were processed.Modeling of the transmissions using parabolic equation method with a geoacoustic model of the environment which includes the range dependent sound speed profile（SSP）is presented.The model results are in excellent agreement with the measured values over the low frequency band.

Low frequency acoustic propagation，Transmission loss（TL），Continental shelf slope，Geoacoustic model

O427.1

A

1000-310X（2015）03-0220-07

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.03.006

2014-06-27收稿；2014-11-05定稿

鹿力成（1981-），男，內蒙古赤峰人，博士，研究方向：水聲傳播。?

E-mail：luce_1983@sina.com