水-油-冰多層介質中聲波傳播特性研究

于丹竹,賈 兵,陳 元

(1.國家海洋環境監測中心，遼寧 大連 116032；2.連測控技術研究所，遼寧 大連 16031)

在結冰海區發生的溢油事故，不同于開闊水域，由于原油和海冰相互作用，給溢油監測帶來極大困難。尤其是當溢油被冰層覆蓋，目前幾種較為成熟的針對開闊水域溢油監測、監視技術，如： 水面及空中目測、光學遙感及雷達、衛星遙感等，難于區分海冰和溢油，更難以穿透冰層覆蓋，從而導致在應對冰層下的溢油探測需求時不能發揮最佳效果。面對結冰海區的冰下溢油聲學探測方法研究，目前在國外已經有多項研究成果。Gill 等[1]對各種冰內、冰下溢油聲學探測技術的可行性進行了深入研究，在實驗水槽中進行了測試，發現利用水下高頻聲波對結冰條件下的溢油探測具有明顯的優勢。Fingas 等[2-3]對結冰區域溢油探測雷達和紅外技術進行了回顧，對比分析了聲學方法對冰內含石油探測的可能性。Goodman 等[4]利用海冰和石油不同的聲學特性，研究了聲波在冰內作為頻率函數的傳播特性，并對冰下溢油進行聲學探測方法研究。根據國內外研究學者研究分析表明，在常用及潛在的幾種冰下溢油探測技術中，利用聲學手段對冰下溢油進行探測的方法是目前最具有發展前景的技術手段之一。

根據聲波的物理性質，聲波在海水中、冰層中以及石油中均可有效傳播，并在不同介質的分界面，將產生反向散射聲波。當聲波入射到海水、溢油、海冰這三種不同的介質，遇到海水-溢油界面以及溢油-海冰界面所產生的反向散射聲波特性具有一定的差異，這些差異是由聲傳播介質的密度、厚度等物理屬性所引起的，據此可形成判斷海冰下及海水中溢油是否存在的聲學探測方法。本研究通過數值軟件仿真和水池實驗分析了聲波在海水-溢油-海冰分層介質中的傳播特性以及海水-溢油、溢油-海冰交界面上聲散射時域特性，提取表征冰下溢油的聲散射特征，為進一步研究利用聲學方法探測冰下溢油技術，提供理論基礎。

1 水-油-冰多層介質聲傳播特性

1.1 水-油-冰多層介質宏觀形態及參數設定

根據以往的研究顯示，結冰海區近岸海域海冰主要為固定冰或大面積冰原，離岸較遠海域則有大量冰脊、水道、潮汐裂縫、堆積冰或重疊冰。由于溢油多為輕質油，比重與海冰相近，會聚集在海水表面或海冰層以下。海冰與溢油相交匯的區域，通常會出現溢油遷移到冰塊邊緣、聚積在重疊冰附近的水道和水泊中、溢油通過冰自身滲透、在重疊冰內部聚積、在固定冰和大面積冰原區、溢油浮在冰面下等幾種狀態，如圖1[5]所示。本文僅以溢油層在單層冰下表面均勻分布的情況為例，進行初步研究計算分析，如圖2所示。

圖1 在冰區中油的行為和歸宿

圖2 海水-石油-海冰多層介質簡化模型示意圖

為了提取水-油-冰多層介質聲散射特性，本文通過仿真及試驗設計以下幾種工況，在仿真分析中，將進行四種狀態的聲散射特性仿真分析，包括：水池中有海水和表面有冰(狀態 1)、水池中有海水和表面有冰及冰下有油(狀態 2)、水池中有海水和表面有油(狀態 3)、水池中僅有海水(狀態4)。水-油-冰多層介質聲傳播和散射理論模型如圖3所示。

圖3 水-油-冰多層介質聲傳播和散射模型

根據已有的歷史文獻及資料數據[6-10]，獲取多層介質所涉及到的各類材料與聲學特性密切相關的物理參數，將其作為數值建模所需的輸入參數。本文選取的物理參數如表 1 所示。本文建模所使用的幾何模型參照水池實驗所使用的人工制備海冰模型以及模擬溢油層的幾何尺寸進行簡化處理，如表 2 所示。

表1 多層介質材料參數設置表

表2 多層介質模型幾何參數設置表 m

1.2 水-油-冰多層介質聲傳播特性數值仿真

利用有限元分析理論嘗試計算冰層及溢油層下的水中聲混響場，主要思想是將所研究的冰-油- 水分割成多個單元，各個單元通過節點相互連接，即可將原有多層介質聲場問題離散化，通過數值計算得出每個單元內的近似函數，從而得到整個研究域的近似解。針對冰-油-水介質中混響采用COMSOL 軟件進行建模計算，本節介紹在做聲場仿真建模時在軟件中的幾個關鍵設置。首先選取“壓力聲學，瞬態(actd)”作為分析模式。其次，在軟件中的全局下的定義子環節按照表 1 和表 2 設置仿真實驗所需要的各種參數及變量，建模幾何參數、材料屬性定義以及輸入聲脈沖信號參數等，并進行網格化處理，如所圖 4 示。

圖4 冰-油-水多層介質網格化

圖5 仿真水下傳探針傳感器設置(單位：m)

在模型底部設置平面波輻射聲源，采取正入射方向自下而上對溢油層下表面發射 CW 聲脈沖信號，聲脈沖信號選用在 20～30 kHz 設計單頻脈沖串，一次發射并獲取多個頻點的回聲數據。其表達式如式(1)所示：

Si=cos(2πfit)

(1)

式中：Si為聲壓幅值，Pa;fi為頻率，Hz;t為時間，s。

采用收發合置的接收器，接收液面下表面的反向散射波，因此在水底幾何中心位置設置探針傳感器，提取該點位置處的聲壓值，如圖5底面中心點位置所示。作為模型的邊界條件，應對海冰-空氣界面的阻抗值進行設定Zi=1.2 kg/m3×343 m/s 模型四周的邊界應設置為開邊界條件，表示聲波完全透射出去，對聲散射聲場沒有貢獻，防止出現壁面效應，產生干擾，通過瞬態求解步驟，即可獲得多層介質水下反向聲散射特性。

1.3 水池模擬水-油-冰多層介質聲傳播特性實驗研究

在理論模型和仿真分析數據的基礎上，建立海水-石油-海冰多層介質水下高頻聲散射特性測試水池實驗系統。測試系統主要由發射聲源和聲散射信號接收等設備構成。在發射聲源方面，主要包括功率放大器、水下發射聲源等設備，在聲散射信號接收方面，主要包括接收水下聲波信號的水聽器、測量放大器、信號調理器等。在水池實驗現場環境參數監測系統，主要包括水池水溫監測計和鹽度計等測量設備。在樣品狀態實時監測方面，主要包括冰樣、油層的厚度、尺度等測量設備。測試系統及其在實驗水池中的布置方案如圖 6 所示。為了避免池壁等環境因素對聲散射信號的影響，試驗的發射、接收裝置均采用指向性聲基陣，如圖 7 所示。

圖6 水池試驗系統示意圖

圖7 指向性換能器設備

圖8 油-冰樣本的試驗狀態

圖9 試驗系統布放實物圖

為保證試驗效果，需要確保海冰樣本厚度質地均勻，本文采用海水和海冰均為人工制備，試驗中配置的海水冰層厚度為 18 cm。試驗采用的油為天然原油樣本，密度小于海水，可自然漂浮于海水表面。油-冰樣本的制備，由于原油具有一定的黏稠性，采用人工方式，將其均勻覆蓋到海水冰的表面，形成有油-冰樣本，油層厚度為 4 cm，如圖 8 所示。試驗時將模具和油-冰樣本一起倒置在海水表面，并用支架固定，模擬冰下溢油的狀態，試驗系統及樣品布放，如圖 9 所示。與數值仿真分析一致，采取收發合置換能器由正入射方向自下而上對多層介質下表面發射 CW 聲脈沖信號，聲脈沖信號選用 20 kHz 單頻脈沖串，一次發射并獲取多個單頻回聲數據。

2 數值仿真及模型試驗結果對比分析

為驗證仿真模型的有效性，通過試驗對比分析了四種不同狀態下，多層介質的聲傳播特性，從采集到的時間域信號可以看出，四種情況的界面回波信噪比高，采集信號均有效。比較水體表面為僅有海冰的情況，如圖10、圖11分別為通過試驗方法和仿真分析方法獲取的模型底部中心點位置處，自海冰下表面反向散射的聲壓幅值隨時間變化曲線，聲波頻率為 20 kHz。由曲線中可以看出三個以上峰值點，首個峰值點為聲源所發出的直達聲，之后接收器位置又分別接收到兩次散射信號， 形成第二、三個峰值點。表明當受到聲源激勵時，冰層的上下表面各發生一次聲散射，其信號傳輸到接收器位置，引起了聲壓幅值的峰值，對比數值仿真結果，其中也能看到同樣的曲線趨勢。當水體表面出現溢油及冰層共同覆蓋時，則在油層下表面、油-冰界面以及海冰上表面各發生一次聲散射， 不論是試驗還是仿真分析方法獲取的散射聲壓曲線中，均可觀察到有三次較為明顯的聲壓峰值點， 且峰值點所對應的時間節點與油層和冰層的厚度相匹配如圖12～圖13。

圖10 試驗獲取冰-水界面散射特性數據

圖11 仿真獲取冰-水界面散射特性數據

圖12 試驗獲取冰-油-水界面散射特性數據

圖13 仿真獲取冰-油-水界面散射特性數據

通過數值仿真方法，分析了水-油-冰多層介質層厚度變化對聲散射特性的影響。如圖14所示， 由圖中可以看出溢油層厚度由0.04 m 增加至0.10 m 時，曲線中與溢油相對應的第三個峰值點向右偏移。石油在聲學介質中屬于黏稠液體，由于弛豫作用使得聲波在溢油層中發生了一定的能量損耗，因此與之相關的峰值點幅值相對降低。如圖15所示，溢油層厚度不變的情況下，海冰層的厚度由 0.18 m增加至 0.40 m 時，可以看出與海冰層相對應的第四個峰值點發生了右移，表明海冰層厚度增加時，聲波在海冰層中傳播的時延增大，同時由于海冰介質的不均勻性，導致聲波在海冰層中發生衰減，引起散射聲波幅值一定程度的降低。

圖14 不同厚度溢油層散射聲壓幅值曲線

圖15 不同厚度冰層散射聲壓幅值曲線

3 結 論

本文通過數值軟件仿真和水池實驗分析了海水-溢油、溢油-海冰交界面上聲散射時域特性，提取表征冰下溢油的聲散射特征。通過仿真分析與實驗驗證結果比對，表明通過仿真的方法可以模擬出冰下溢油覆蓋水場中的聲場時域特性，進行仿真分析可以有效減少冰下溢油實驗次數，節約成本， 降低溢油實驗對環境造成的壓力。在數值仿真中，可以明顯看出由冰層和溢油層厚度變化，所引起的冰層下聲散射特性變化以及散射信號時域變化。海水-溢油-海冰多層介質受到聲信號激勵時，不同介質之間的邊界層處將會發生反向散射，該信號返回位于底部的測點位置時，會引起該處聲壓幅值升高，在聲波時域特性體現為聲壓幅值的峰值點。提取表征冰下溢油的聲散射特征，可以為進一步研究利用聲學方法探測冰下溢油技術，提供理論基礎。