淺海涌浪對表面聲道聲傳播的影響*

劉今 彭朝暉 張靈珊 劉若蕓 李整林

1) (中國科學院聲學研究所, 聲場聲信息國家重點實驗室, 北京 100190)

2) (中國科學院大學物理科學學院, 北京 100049)

受海面強風和海-氣相互作用影響, 表面聲道普遍存在于冬季海洋環境中, 是一種天然有利于聲傳播的波導.但是海面波浪使得海表形成粗糙界面, 會嚴重破壞這種優良性能.本文利用南海北部海區的一次冬季聲傳播實驗數據, 研究表面聲道聲傳播特性.研究表明, 海底底質對表面聲道內聲傳播的影響較弱, 當海面風較小時, 涌浪造成的影響為主要原因.實驗數據顯示, 考慮涌浪后的粗糙海面給 7 0 km 遠處帶來了 1 0 dB 的傳播損失增長.因此在考察南海北部海區冬季聲場特性時, 不僅要考慮海面風浪的影響, 更需要考慮周圍海域傳來的涌浪的影響.研究涌浪存在時的聲傳播特性對提升聲納設備在海況較差時的使用性能具有重要意義.

1 引 言

在海洋中, 由于湍流和風浪的攪拌作用, 使得近海面的水體混合均勻形成等溫層, 一般為幾十米到上百米.此時海水聲速受到靜壓力的作用呈現正梯度分布, 從而形成表面聲道.當聲源位于表面聲道內時, 由于沒有海底損耗, 聲波可以在由海面以及表面聲道底部形成的波導內實現遠距離傳輸.但另一方面, 當聲波不停地與海面碰撞時, 粗糙界面則會給聲場帶來很大影響.

粗糙海面主要由海浪或降雨造成, 是影響海洋中聲傳播的主要因素之一.粗糙海面不僅會使得聲能量降低[1], 還會影響聲場的干涉結構, 對聲場預報、水聲通信[2]、水下定位[3]、海底參數反演[4]等工作均會產生影響.而聲場特性研究是以上研究的基礎, 因此開展粗糙海面下聲場特性研究具有重要意義.

關于粗糙海面下聲場計算的理論模型的研究,目前已經有許多成熟的理論和方法, 比如常用的Kirchoff 近似、小斜率近似法[5,6]以及基于拋物方程的RAM[7,8]聲場計算模型.在這些計算模型的基礎上, 學者們開展了大量粗糙海面下聲場特性的研究, 主要包括對聲衰減、時空相關性以及信號時間到達的影響的研究.Liu 和Li[9]通過仿真實驗指出,在淺海環境中, 粗糙海面下聲傳播損失的概率分布和聲場的散射衰減與風速、距離、頻率等因素有關;Zou 和Badiey[10]通過對比寬帶聲源在不同風速條件下形成的聲壓場, 指出海面粗糙度是造成聲信號衰減的主要因素, 而氣泡散射和多普勒頻移是次要因素; Weston 和Ching[11]基于一次淺海實驗數據總結出聲衰減系數與頻率和風速的關系式;王先華[12]和姚美娟等[13]分別基于不同的海浪譜模型構造粗糙海面, 通過實驗驗證了粗糙海面帶來了傳播損失上的衰減; Karjdi 等[14], Tindle 和Deane[15], Siderius 和Porter[16]等均使用淺海實驗數據驗證了粗糙表面建模對于仿真時間到達結構的重要性; Badiey 等[17]及Dahl[18]基于淺海實驗數據分別指出粗糙海面會使得信號的時間、空間相關性下降.

在以上的粗糙海面下的聲場特性研究中, 在建模時絕大多數用到的是風浪所形成的粗糙海面, 較少有考慮海面存在周圍海域傳來的涌浪的情況.本文在對南海北部海區一次冬季聲傳播實驗的分析過程中發現, 僅僅利用風速, 使用Pierson Moscowitz (PM)譜結合Monte Carlo 的方法進行粗糙海面建模, 不足以解釋表面聲道中聲傳播損失增大現象.考慮涌浪高度后, 仿真結果與實驗結果符合較好.

2 聲傳播理論

考慮到水平變化環境和海面粗糙條件, 本文選取RAM 聲場計算模型, 將粗糙海面考慮進海面邊界條件進行仿真和實驗驗證, 該方法已被實驗證實具有有效性[13].考慮柱系下, 假設各個變量與方向無關, 密度 ρ 隨距離變化十分緩慢, 聲源位于 r =0 ,z =z0時, 聲壓P 所滿足的頻域聲壓方程為

式中, ρ 為密度 ( g /cm3); K =k+iηβ|k| , 其中k =w/c , η =(40πlog10e)?1, w 為角頻率, c 為聲速(m/s), β 為海底吸收系數( d B/λ ).

解得

其中,

將(3)式中根號下部分進行帕德展開近似, 并令Q=Ueik0r, (3)式可化為(5)式的形式:

其 中 aj,n=[2/(2n + 1)]sin2[ jπ/(2n+1)] ,bj,n=cos2[jπ/(2n+1)], 由(5)式可解得

再將Q 和P 依次代入(6)式中, 并假設在遠場?r ?r , 由此可得到聲壓的遞推表達式為

給定一個起始場, 或者采用RAM 模型的自起始場便可以得到全空間的聲場.在平整海面條件下, 聲壓的上邊界條件為 P (z =0)=0 , 而在粗糙海面條件下, 假設海面起伏高度為 h (r) , 這時聲壓所滿足的上邊界條件為 P (z =h(r))=0.

3 實 驗

2017 年12 月, 中國科學院聲學研究所聲場聲信息國家重點實驗室在南海北部陸坡海區進行了一次聲傳播實驗.實驗采用如圖1 所示的單船結合潛標的作業方式.圖中左側為采用垂直線列陣形式的潛標接收系統, 由自容式水聽器和溫深傳感器組成, 其中有效水聽器為17 個, 在深度25—330 m之間非均勻布放, 信號采樣率為 1 6 kHz.作業期間,實驗1 號科考船沿著聲傳播路徑投擲 1 kg TNT當量的爆炸聲源, 爆炸聲源標稱深度為 5 0 m.圖2給出了沿途利用萬米測深儀測得的海深情況, 在接收陣附近存在一個緩坡, 2 0 km 之后海深較為平坦.圖3 給出了實驗過程中的聲速剖面, 通過每隔約10 km 投放一枚投棄式溫深儀(XBT), 獲取海水溫度隨深度的變化, 通過接收站位投放的聲速儀測得的鹽度數據, 根據經驗公式[19]計算沿途的聲速剖面.從圖3 可以發現, 實驗過程中一直存在表面聲道,紅色方框圈出了表面聲道底部的位置, 可以看出表面聲道的厚度在發生變化, 最淺為 7 4 m , 最深為107 m, 在距接收陣25—44 km 內表面聲道深度變化較小.

圖1 實驗設備布放示意圖Fig.1.The configuration of the experiment.

圖2 實測海底地形Fig.2.The measured bathymetry.

圖3 測線上聲速剖面Fig.3.Measured sound speed profiles along the track.

圖4 實測的第1 個和第11 個水聽器的深度變化 (a) 第1 個水聽器; (b) 第11 個水聽器Fig.4.Depths of the first and eleventh hydrophone measured in the experiment: (a) The first hydrophone; (b) the eleventh hydrophone.

實驗期間, 水聽器深度受到海流影響, 波動很大, 圖4 給出了第1 個和第11 個水聽器的深度變化, 橫軸表示每個爆炸聲源爆炸的位置距接收陣的距離.上層的第1 個水聽器深度在42—61 m, 平均深度為 5 1 m , 波動范圍達到 1 9 m , 下層的第11 個水聽器平均深度為 2 06 m , 波動深度為 1 4 m.盡管第1 個水聽器深度一直在波動, 但是始終處于表面聲道內.根據互易原理[20], 在聲場仿真中, 水聽器所處深度為聲源深度, 爆炸聲源深度為接收深度,計算結果應該不變.此時, 相當于聲源深度在表面聲道內浮動.聲源深度對表面聲道內聲傳播有重要影響[21], 因此, 在后面的聲場仿真中, 將采用隨距離分段變化的聲源深度.在本文的實驗環境中聲源深度對聲場的影響將在第4 節進行討論.

4 聲場仿真與實驗結果分析

4.1 底質參數對表面聲道聲傳播的影響

本文重點研究冬季表面聲道的聲傳播特性.根據表面聲道的特點, 當聲源頻率大于表面聲道的截止頻率時, 聲能量將大部分被限制在表面聲道中,與海底作用的能量較少, 因此海底底質參數對表面聲道的影響可以忽略.下面通過傳播損失和聲線的仿真分析, 以及實驗數據驗證上述結論.

仿真時, 將聲源置于接收陣附近, 聲源深度為51 m , 該位置處表面聲道厚度為 7 4 m.根據文獻中的表面聲道截止頻率公式[21]可求得, 當聲源深度在18.5—74.0 m 之間時, 表面聲道的截止頻率約為 2 34 Hz.因此, 理論上當聲源頻率大于 2 34 Hz 時,聲能量將大部分被限制在表面聲道內, 海底底質對表面聲道內的聲傳播影響很弱.這里選擇聲源中心頻率為 1 000 Hz 進行探討.

圖5 給出了中心頻率為 1 000 Hz , 帶寬為1/3倍頻程條件下, 聲源深度為 5 1 m , 接收深度為50 m時的仿真和實驗傳播損失結果.聲速剖面和海底地形采用實測結果, 海面為平整的壓力釋放表面, 并且考慮了海水衰減[20].這里取兩組海底參數, 一組偏“硬”, 一組偏“軟”.硬海底參數為文獻[22]中反演結果,cs=1536 m/s, ρs=1.47 g/cm3, αs=0.45 dB/λ.對于所研究頻段, 單層海底模型已經足夠, 所以這里只取反演結果中的沉積層聲速和密度.另一組軟海底參數為,cs=1500 m/s, ρs=1.0 g/cm3, αs=1.0 dB/λ.對比紅線和藍色兩個仿真結果可以發現, 海底底質對傳播損失在數值上影響不大, 對干涉結構會產生一些影響, 尤其在近距離差異比較大.主要體現在, 軟海底時曲線變得光滑, 這是因為聲場的模態數目減少, 干涉結構變得更加簡單.從聲線角度也可以解釋, 給出聲源深度在 5 1 m , 聲源頻率為 1 000 Hz 時, 軟海底和硬海底條件下的聲線圖, 掠射角選擇 ± 12?, ± 6?, 0?, 結果如圖6.可以明顯看出, 表面聲道內的聲場主要由只與海面觸碰的反轉聲線和與海底海面均碰撞反射聲線組成.硬海底下, 與海底海面均觸碰的聲線衰減相對較慢, 與反轉聲線疊加, 由此造成硬海底下傳播損失干涉結構相對復雜.將圖5 中仿真結果與實驗結果進行對比, 可以看出仿真結果從近距離就已經開始偏低.并且當距離超過 4 0 km 時, 仿真傳播損失增大得十分緩慢, 說明能量可以在表面聲道內進行高效傳輸, 而實測結果則不然, 傳播損失隨距離增加增長很明顯.

圖5 兩種海底條件下第1 個水聽器的傳播損失Fig.5.The transmission loss of the first hydrophone under two kinds of seabed.

從以上分析可以看出, 平整海面下, 無論海底參數如何選取, 仿真結果始終與實驗結果相差很大.在仿真時, 當聲源深度確定, 聲源頻率大于表面聲道截止頻率時, 海底參數對表面聲道聲傳播影響較小.在聲速剖面確定的條件下, 表面聲道內聲場主要還受聲源深度以及粗糙海面的影響, 下面兩節將就這兩點分別進行討論.

圖6 兩種海底條件下的聲線 (a)硬海底; (b)軟海底Fig.6.Ray traces under two kinds of seabed: (a) Hard bottom; (b) soft bottom.

4.2 聲源深度對聲場的影響分析

實驗期間聲源深度變化較大, 考慮到表面聲道中聲源深度的變化可能對表面聲道內聲傳播損失產生較大的影響, 接下來分析在本文的實驗環境中, 聲源深度對聲場的影響.圖7 為平整海面, 海底參數與4.1 節硬海底所用參數一致時,1000 Hz中心頻率, 1/3 倍頻程條件下, 將上下兩個水聽器波動到最深和最淺位置的深度作為聲源深度,50 m 接收深度處的傳播損失的仿真結果, 并將實驗結果作為參照.對比圖7(a)和圖7(b)可以明顯看出, 聲源在上層時, 傳播損失整體偏小.同時上層水聽器的波動對聲場的影響比較大, 體現在干涉結構和能量上均有較大的差異, 波動到較深的位置時, 仿真的傳播損失會較大.而下層水聽器的波動對聲場的影響不大.兩個水聽器的仿真結果均與實驗結果相差較大.

因此, 本次實驗中, 盡管表面聲道內聲源深度的變化對聲傳播損失有較大的影響, 但是不足以解釋本次實驗中的聲傳播損失現象.

圖7 聲源深度ds 為兩個水聽器在深度波動的兩個端點時的仿真傳播損失與實驗結果的比對 (a) 第1 個水聽器;(b) 第11 個水聽器Fig.7.Comparisons of modeled and measured transmission loss of two hydrophones at their respective depth endpoints:(a) The first hydrophone; (b) the eleventh hydrophone.

4.3 粗糙海面對表面聲道聲傳播的影響

4.3.1 風浪下粗糙海面建模

當聲波在表面聲道內頻繁地與海面接觸時, 粗糙海面會對聲場產生重要影響.在研究粗糙海面下的聲場特性之前, 首先要進行海面建模.目前已有的海面建模研究方法主要包含兩大類[23].一類是基于物理模型的線性和非線性波浪理論, 這種方法是用物理方程將波浪的運動過程描述出來, 該方法的優點是建模結果比較符合實際情況, 缺點是模型復雜, 計算量大, 實時性較差[24]; 另一類是基于隨機理論和統計分析的隨機海浪理論法, 對不同條件下的波浪運動進行統計分析得到波浪運動的統計特性,在這種方法的研究過程中, 發展出了海譜建模方法.

海譜的定義是海面高度起伏相關函數的傅里葉變換[25], 它給出了海面各諧波分量相對于波數的關系.海譜相對容易通過實驗觀測得到.根據海譜, 可以通過Monte Carlo 方法, 又稱線性過濾的方法反演海面.其基本思路是首先對白噪聲進行傅里葉變換, 然后用海譜對其進行頻域濾波, 即頻域相乘, 最后進行逆傅里葉變換便可以得到隨機起伏的海面.這種還原海面方法的優勢在于, 一是基于實測的海浪數據的統計特性, 真實性較好; 二是利用傅里葉變換計算, 大大降低計算量, 具有較好的實時性.因此也成為目前常用的海面建模的方法之一.科學家們在海譜的研究上也做了許多工作, 針對本文聲傳播特性的研究, 這里選擇在實際工程問題中應用較多的PM 譜進行海面高度反演.與此同時, 目前在水聲領域里, 還有一種常用的譜, 是高斯功率譜, 下面將它與PM 譜簡單進行對比, 兩種譜的表達式分別如(8)式和(9)式所示:

式中 kj表示離散空間波數, (8)式為高斯功率譜,其中 σ 和l 分別表示均方根高度和相關長度, (9)式為PM 譜, α =8.1×10?3, β =0.74 , g 為重力加速度, 取 9.8 m/s2, U19.5為 1 9.5 m 高處的風速, 與10 m高處的風速 U10的對應關系為 U10/U19.5≈0.94.兩種功率譜對比下來, 高斯譜的形式較為簡單, 但是需要已知均方根高度和相關長度, 且這兩個參數不易測量.而PM 譜雖然形式稍微復雜一些, 但是它只與容易獲得的風速有關, 并且PM 譜是經過大量的觀測數據統計分析得到的, 目前在海洋學應用也較為廣泛, 因此本文采取PM 譜進行海浪建模.

下面給出具體的Monte Carlo 方法進行一維隨機粗糙海面建模的計算公式[1]:

其中, f (xn) 表示 海面起伏高度, F (kj) 為 f (xn) 的傅里葉變換形式, 當 j >0 時, 使F(kj)=F(k?j)?,N(0,1) 表示期望為0, 方差為1的高斯分布, xn為海面的第n 個離散采樣點, kj為第j 個離散波數,L 為海面長度, N 為總的離散點數, 在PM 譜的建模中, N 的選擇與風速有關, 在海面總長一定的條件下, 風速越小, 離散的點數需要取得越多.在本文的研究中, 根據下文的風速設定, 海面長度為70 km , 離散點數為 215.

4.3.2 風浪下聲場分析

利用上面4.3.1 節的方法結合實際測量風速生成風浪海面, 用于仿真聲傳播損失并與實驗數據進行對比.首先給出船載風速儀的風速測量值, 如圖8所示.接收陣在 0 km 處.橫軸表示實驗船在航行過程中, 每個測量時刻船距接收陣的距離.在船航行至距離接收陣 1 km 以內的這段時間內, 風速較大,平均風速為 8.1 m/s , 最高達到 1 0.5 m/s , 航行在1 km 以外時, 風速相對較小, 平均值為 3.6 m/s.實際上的海面建模并不是一個簡單的一維問題, 而是與距離方向時間均有關.在這里為了簡化模型, 假定風向與傳播方向一致, 海面不隨時間變化.按照距接收陣 1 km 以內時, 風速恒為 8.1 m/s , 1 km 以外時, 風速恒為 3.6 m/s , 海面建模結果如圖9(a)所示.將這種單純基于風速值生成的粗糙海面記為風浪海面, 仿真聲源中心頻率為 1 000 Hz , 帶寬為1/3 倍頻程條件下的聲傳播損失, 聲速剖面選擇如圖3 所示的實測聲速剖面結果, 海底參數cs=1540 m/s, ρs=1.47 g/cm3, αs=0.45 dB/λ, 聲源深度采用隨距離分段變化的深度, 對比光滑海面和風浪海面兩種條件下的第一個水聽器的傳播損失, 并給出實驗結果作為參考.如圖10 所示, 紅色實線和綠色實線分別代表光滑海面和風浪海面下的傳播損失, 可以看出, 風浪海面對聲場的影響在能量上作用不大.與實驗傳播損失相比, 仿真結果偏低, 在 7 0 km 處二者相差約 1 0 dB , 不能解釋實驗結果中出現的較高的傳播損失以及較快的衰減趨勢.主要原因在于 1 km 后實測的海面風速較小, 因此產生的風浪的浪高較低, 對聲場影響較小.而單純的風浪不足以完全描述當時海面的狀態.

圖8 船載風速儀實測的風速Fig.8.Wind speeds measured by shipboard anemometer.

圖9 兩種粗糙海面 (a) 風浪海面; (b) 涌浪海面Fig.9.Two rough sea surfaces: (a) wind-driven sea surface;(b) swell sea surface.

圖10 三種海面條件下的傳播損失的仿真結果與實驗結果比對Fig.10.Modal/data comparisons of transmission loss under three sea surfaces.

4.3.3 基于涌浪的海面建模

由4.3.2 節知道, 基于PM 譜的海面建模是根據風速生成的, 因此只能表征本地風浪, 無法體現周圍海域傳播過來的涌浪信息.本文實驗過程中沒有獲得實時的浪高, 但是諸多方面表明實驗海域存在較大涌浪.首先, 日本氣象廳發布的實驗所在時間段內附近兩個時刻的觀測資料表明, 研究海域內海浪的有效波高約在2—3 m, 存在3 m 高涌浪[26,27].其次, 表面聲道是由海面強風持續十幾個小時, 使得上層水體混合均勻, 形成混合層而產生[28], 說明該海域存在海面強風.有文獻指出, 在南海北部陸坡海區, 連續的 1 0 m 高度處的風速測量結果顯示,離岸距離超過 1 00 km 時, 海面風速在冬季的最大概率值為 1 5 m/s 左右[29].同時注意到圖8 中實測風速結果顯示在接收陣附近的風速較大.以上三點間接指出實驗海域存在海面強風.當風速較大時,PM 譜的譜峰頻率會向低頻方向移動, 導致涌浪的成分偏多.最后, 在文獻[30]中也指出, 南海冬季以涌浪為主, 占比約 7 0%.因此, 可以合理推斷測線位置處測量的風速并不是海面粗糙的全部依據,涌浪具有較強的傳播能力, 可能會從周圍海域不斷傳播過來.

海洋學中有一些專門的涌浪建模方法, 但是由于已知參數不全, 這里選擇一種簡化的方法.涌浪的特點是波面光滑, 存在較為規則的波峰和波谷,并且離風區越遠, 波形越規則, 略近似于正弦波,根據線性波理論, 海洋波動可以看作簡單正弦波或者簡單波動的疊加, 因此本文采用正弦波模擬涌浪海面.由線性波理論得到的沿正x 方向傳播的波剖面方程為[31]

式中, H 為波高, k 為波數, 滿足 k =2π/λ , λ 為波長, ω 為角頻率, 滿足 ω =2π/T , T 為周期, 當水深為h 時, 波數和頻率滿足如下關系:

當波處于深水水域( h >λ/2 )時, t anh(kh)≈1 , 此時, (12)式可近似表示為 ω2=gk , 由此可得到波長和周期的關系為

根據日本氣象廳觀測資料, 可推測涌浪高度在2—3 m 之間, 周期在6—10 s 之間, 由(13)式可 計 算 出 波 長 在56—155 m 之 間, 這 里 假 設λ=80 m , H =2.5 m , 由于聲速遠大于波速, 可近似認為海面不隨時間變化[32].取 t =0 s , 根據(11)式得到涌浪海面, 根據線性波疊加理論, 將兩種海面疊加便可以得到風浪和涌浪混合的海面(圖中均簡稱涌浪海面), 如圖9(b)所示.

4.3.4 涌浪下聲場分析

在4.3.3 節的含涌浪的海面條件下, 再次計算聲傳播損失, 其他參數與風浪海面仿真時相同, 仿真結果如圖10 藍線所示.可以發現仿真結果整體上與實驗結果符合較好, 與光滑海面和風浪海面下的傳播損失結果相比, 可以看出考慮了涌浪后, 海面給 7 0 km 遠處帶來了 1 0 dB 的傳播損失增長.為了進一步檢驗涌浪海面建模的有效性, 將其用于400 Hz 中心頻率以及第11 個水聽器的傳播損失實驗驗證, 結果如圖11, 藍線為仿真結果, 可以發現涌浪海面配合變化聲源深度建模可以對實驗數據進行較好的解釋.這也從側面證實了該區域涌浪的存在.

圖11 涌浪海面應用于不同頻率和不同水聽器的傳播損失檢驗 (a) 4 00 Hz , 第1 個水聽器; (b) 4 00 Hz , 第11 個水聽器; (c) 1 000 Hz , 第11 個水聽器Fig.11.Examinations of transmission loss of two hydrophones with the swell surface under different frequencies:(a) 4 00 Hz , the first hydrophone; (b) 4 00 Hz , the eleventh hydrophone; (c) 1 000 Hz , the eleventh hydrophone.

4.3.5 粗糙海面對聲場影響的機理解釋

下面利用上述兩種粗糙海面, 從聲線角度來解釋粗糙海面對表面聲道聲傳播的影響.首先, 從前面的分析可知, 表面聲道內的能量主要靠反轉聲線提供.根據表面聲道聲傳播特點可知, 在平整海面下, 小掠射角聲線會陷在表面聲道內不斷反轉進行傳輸.假設聲線出射角為 θi, 聲源位置處的聲速為ci, 聲線在表面聲道下邊界發生反轉處的角度為θt=0?, 表面聲道下邊界聲速為 ct.由Snell 折射定律 c osθi/ci=cosθt/ct可得, c osθi=cicosθt/ct, 進而得到聲線發生反轉時的臨界角 θic=arccos(ci/ct).因此出射角度在 ± |arccos(ci/ct)| 之間的聲線, 均只和海面作用, 在表面聲道內傳播.而當掠射角逐漸增大時, 聲線不再向上反轉, 而是向下反轉, 變成不再與海面觸碰的聲線, 當掠射角繼續增大時, 聲線觸碰海底后會繼續與海面作用.

在本文實驗環境中, 經計算得到反轉聲線的臨界角在 ± 1.1?.設定聲線掠射角為 ± 1?, 0?, 分別考察平整海面、風浪海面和涌浪海面三種情形下的聲線分布情況, 其他參數與4.3.2 節一致.結果如圖12 所示, 藍、紅、綠三種顏色的曲線分別代表?1?, 0?, 1?的聲線.平整海面下, 三條聲線均在表面聲道內反轉, 不與海底接觸, 損耗較小.對比粗糙度較小的風浪海面和粗糙度較大的涌浪海面條件下的聲線情況, 可以發現二者的共同點是均使得表面聲道內反轉的聲線在與海面觸碰后改變原來的掠射角, 穿透表面聲道向下傳播, 與海底作用.對于粗糙度較大的涌浪海面, 經過海面作用后, 掠射角改變更大.觀察掠射角為 ? 1?的聲線在第一次與兩種粗糙海面觸碰后的角度變化情況, 如圖12(b)和圖12(c)中的小圖所示, 可以明顯看出反射聲線的掠射角與波面傾斜度密切相關, 波面傾斜度越大, 掠射角改變量越大, 使得聲線以更加垂直的角度入射到海底.聲能量會較快地衰減, 導致遠處傳播損失加大.由于波高和波的分布具有隨機性, 因此當聲線與波面作用后, 傳播方向的變化也具有隨機性.但從統計意義上, 涌浪海面具有較高的均方根波高, 即較大的粗糙度.聲線在傳播過程中會以較大概率觸碰到大傾斜度的波面, 致使聲能量向下層水體耦合, 表面聲道內的傳播損失增大.

圖12 不同海面條件下的聲線分布情況 (a) 平整海面;(b) 風浪海面; (c) 涌浪海面Fig.12.Ray traces under different sea surfaces: (a) Flat sea surface; (b) wind-driven sea surface; (c) swell sea surface.

5 結 論

本文利用PM 海浪譜結合Monte Carlo 方法,根據實測海面風速和涌浪高度分別進行風浪海面和涌浪海面建模.針對南海北部陸坡海區, 仿真分析了海底底質、聲源深度、風浪海面以及涌浪海面對表面聲道聲傳播的影響.并用實驗數據進行了驗證.

研究結果表明, 在冬季淺海海洋環境下, 表面聲道存在時, 僅僅考慮風浪引起的海面粗糙度可能不足, 還需考慮涌浪的影響.實驗數據顯示, 相比于平靜海面和粗糙度較小的風浪海面, 考慮涌浪后的粗糙海面使得傳播損失在 7 0 km 遠處增大了 1 0 dB.

感謝參加2017 年南海冬季調查實驗的實驗1 號船上的全體參試人員, 他們的辛勤工作為本文提供了可靠寶貴的實驗數據.