近海面水层中声传播损失估计和分析

范威，李颂文



近海面水层中声传播损失估计和分析

范威1,2，李颂文1,2

(1. 水声对抗技术重点实验室，上海201108；2. 上海船舶电子设备研究所，上海201108)

近海面水层通常存在声速梯度变化，并随着季节的更替而改变。根据南海典型中等深度海在春季、夏季、秋季和冬季的声速剖面，分析近海面水层中12 km水平距离内声传播损失的空间分布和频率变化规律。结果表明：春、夏两季由于负梯度声影区现象，声传播损失约在1 km的距离超过80 dB；秋、冬两季的典型特征是存在表面声道现象，当声源在近海面混合层内部时，混合层中声传播损失在截止频率以上小于球面扩展损失，而当声源深度大于混合层深度时，表面声道现象不明显。

近海面；声速剖面；季节变化；传播损失

0 引言

发展与环境特性相融合的水下目标探测技术是声呐发展的趋势之一。水下目标探测是在特定水体环境中进行的，环境因素制约着声传播损失、目标散射、混响、噪声、换能器等诸多声呐要素，对工作在近海面环境中的声呐表现得尤为突出。本文提到的近海面环境是指靠近海面、水体深度在海面以下几米到数十米之间的水层。

传播损失是声呐方程中重要的物理量，近海面水层中声传播损失与声速剖面、水体吸收和散射、表层气泡分布等诸多因素有关，其中声速剖面是声传播损失的重要影响因素，其它因素可以通过声速剖面等效表示，如近海面水层气泡密度一般是随深度递减的，使得近海面气泡层中声速呈正梯度分布。由于风浪、日照等环境因素的影响，实际海洋中近海面水层声速剖面通常存在梯度变化，并随着季节的更替而改变。在不同季节，声传播损失随着声源频率、声源和接收器深度、距离的变化规律也不同。在近海面水层中，声呐工作频率和布放的空间位置选择不当时，声呐作用距离将大幅度降低。

本文考虑声速剖面随季节变化对中等距离条件下近海面水层声传播损失的影响，以我国南海典型中等深度海在春季、夏季、秋季和冬季的声速剖面为例，分析12 km距离内近海面水层中声传播损失的空间分布和频率分布随季节的变化规律。

1 典型中等深度海声速的季节变化

中等深度海是指深度在深海和浅海之间，具有不完整声道的海洋，我国南海是典型的中等深度海。中等深度海的声速剖面随季节的变化通常比较明显，主要体现在混合层的季节性变化。所谓混合层[1]，指的是风浪搅拌和海气之间的相互作用下近海面水层中产生一定深度的、水温均匀的水层，在混合层中声速受压力的影响呈正梯度结构，从混合层中发出的声波向海面方向偏折，经海面多次反射形成波导式的传播，这种类型的声信道被称为表面声道或混合层声道。混合层声速剖面随季节的更替而呈现周期性的变化，季风性气候是混合层产生周期性变化的重要原因，混合层往往在秋季季风转换的过程中开始加深，在冬季发展到最强，在春季随着季节性温跃层的形成而逐渐消衰，在夏季最弱或消失。

图1(a)~1(d)分别是深度约2500 m的典型中等深度海在春季、夏季、秋季和冬季的声速剖面，春季和夏季的声速剖面由温度跃变层和深水层组成，而秋季和冬季的声速剖面最大特征是除温度跃变层和深水层外还有混合层存在。

图2(a)~2(d) 分别是典型中等深度海近海面水层(<100 m)在春季、夏季、秋季、冬季的声速剖面[2]，春季和夏季表层海水升温，海表的声速最大，声速自海表面随深度的增加而减小，表层100 m水体春季声速变化量约为12 m/s，而夏季声速变化量约为20 m/s；秋季和冬季表层附近水层降温，声速稍偏低，普遍出现正梯度现象，最大声速出现在海表面以下的水层，最大声速所在的深度即为混合层深度，它随季节的改变而改变，随海区的不同而不同，在图2(c)中秋季最大声速对应的深度约为30 m，而图2(d)中冬季最大声速对应的深度约为66 m，即秋季和冬季混合层的深度分别为30 m和66 m。

2 不同季节近海面水层中传播损失

本节以图1典型中等深度海在春季、夏季、秋季和冬季的声速剖面为例，分析12 km水平距离内近海面水层中声传播损失空间分布和频率分布随季节的变化规律，声传播损失采用KRAKEN简正波传播声场模型计算[3]，海底设为泥沙底质。

2.1 近海面水层中声传播损失的空间分布

根据主动或被动声呐方程[4]，声传播损失越小，近海面水层中声呐的作用距离越大，声呐在水下布放的空间位置应选择在声传播损失小的水深。近海面水层中声传播损失不仅与接收的位置有关，还与季节性声速剖面、声源频率及声源深度等因素有关。图3(a)~3(d)分别是春季、夏季、秋季和冬季12 km水平距离内、近海面水层(<100 m)中声传播损失随接收距离和深度的空间分布，其中声源的位置固定，位于水下=10 m，声源的频率为=3 kHz。

分析图3可见：(1) 在春季和夏季，近海面水层(<100 m)中声传播损失约在1 km的距离上就超过80 dB，声波随距离的衰减大，接收点越靠近水面，声传播损失越大。若声呐工作在春、夏季近海面水层，则作用距离将大幅度降低。(2) 秋季和冬季有表面声道现象，秋季表面声道中声波在12 km距离内的平均传播损失约为64dB，而冬季表面声道内的平均传播损失约为66 dB。混合层深度越大，则表面声道的深度越大，冬季表面声道深度比秋季大。若声呐工作在秋、冬季近海面混合层，则有利于提高其作用距离。

在秋冬两季，当声源深度大于近海面混合层深度时，表面声道现象不明显。以秋季为例，图4(a)、4(b)分别是声源深度=25 m和=45 m两种情况下，12 km水平距离内近海面水层(<100 m)中声传播损失随接收距离和深度的空间分布，声源的频率为=3 kHz。分析图3(c)、图4(a)和图4(b)结果可知，当声源靠近混合层边缘时(=25 m)，表面声道弱化，即混合层中声传播损失增大，而当声源的深度(=45 m)大于混合层的深度时，表面声道现象消失。

2.2 近海面水层中声传播损失的频率变化

在近海面环境中，声呐工作频率的选择依赖于近海面水层中声传播损失的频率特性。图5是典型中等深度海在春季、夏季、秋季和冬季典型声速剖面下(图1)近海面水层中声传播损失随频率(<3 kHz)的变化曲线，声源和接收点的水下深度都是10 m，两者之间的水平距离为5 km。

从图5可以看出，春季和夏季的声传播损失在90 dB以上并远大于5 km的球面扩展损失(74 dB)，并且随频率有极大、极小交替变化。根据2.1的分析，冬、秋两季有混合层表面声道现象，声传播损失随频率变化的最大特征是有低频截止频率，其对应的最大波长可以估算为[5]

在工作上，王敏似乎没有体现出非常官僚的一面。在同事眼里，他对下属以严厉著称，不接受下属的请托事项，不允许搞“乌烟瘴气”，对工作搞不上去的地方和当事人毫不客气。其上一任秘书戚某跟着他一干就是九年，有三次提拔机会，但王敏明确表态不能“特殊照顾”，直到2012年戚某才得以任用。但王敏的另一面却是娇纵亲属和子女大肆敛财。因此，形式主义、官僚主义看起来只是作风问题，但长期作风不正，就容易堕入腐败的深渊。

比较图5秋、冬两季声传播损失曲线可以分析：冬季声传播损失在602 Hz以下随频率减小而增大，而声传播损失在602 Hz~3 kHz变化小、平均值为56 dB；秋季声传播损失则在1983 Hz以下随频率减小而增大，在1983 Hz~3 kHz的传播损失平均值为61 dB，比冬季602 Hz~3 kHz的平均传播损失大约高出5 dB。由图5还可以看出秋、冬两季混合层声传播损失在截止频率以上变化规律介于柱面扩展和球面扩展之间；近海面水层中在冬季时声呐的工作频率可选择范围宽。

3 结论

本文以典型中等深度海在春季、夏季、秋季和冬季的声速剖面为例，分析了近海面水层中声传播损失在四季不同声速剖面类型下的空间分布和频率变化规律。近海面水层中春季和夏季声传播损失的最大特征为负梯度声影区现象，声传播损失约在1 km的距离超过80 dB；秋、冬两季的典型特征是存在表面声道现象，当声源在近海面混合层内部时，混合层中声传播损失在截止频率以上小于球面扩展损失，而当声源深度大于混合层深度时，表面声道现象不明显。

在我国南海典型中等深度海近海面水层环境中，不同季节的声传播损失空间和频率变化规律影响着声呐的作用距离、布放深度和频率等工作参数和性能指标。当近海面存在混合层表面声道时，接收器布放在混合层内部有利于提高声呐的作用距离，而声呐的工作频率须选择在混合层低频截止频率以上，由于冬季的低频截止频率小于秋季的情况，声呐利用表面声道现象的频率区间比秋季宽；当不存在混合层或接收器布放深度大于混合层深度时，负梯度声影区起主要作用，接收器深度大于声源(目标或其辐射噪声)深度时则有利于对目标的探测。

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Estimation and analysis of acoustic propagation loss in the water layer near sea surface

FAN Wei1,2, LI Song-wen1,2

(1.Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory, Shanghai201108, China;2.Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute,Shanghai 201108, China)

The sound speed gradient usually varies with seasonal change in the water layer near sea surface. The acoustic propagation losses in the near surface layer are estimated for the different sound velocity profilesin typical mid-depth sea areas ofthe South China Sea in spring, summer, autumn and winter respectively. The characteristics of acoustic propagation losses for different types of sound speed profiles in the spatial and frequency domains are analyzed when the horizontal distance between the source and receiver is within 12km. The results show that, due to the negative gradient phenomenon which results in acoustic shadow zone, the acoustic propagation losses in the spring and the summer reach80dB at the horizontal distance about 1km. While in the autumn and the winter, it is typical that the surface channel phenomenon exists, so the acoustic propagation loss is less than thespherical expansion loss at the frequency above the cutoff frequency when the source is located in the mixed layer near the sea surface. However, the surface channel phenomenon is not obvious when the source depth is greater than that of the mixed layer.

near sea surface; sound velocity profile; seasonal change; propagation loss

TB556

A

1000-3630(2015)-03-0223-05

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.007

2014-07-10;

2014-10-08

范威(1984－), 男, 山东济南人, 博士, 工程师, 研究方向为水下小目标探测技术。

范威, E-mail: fanwei1029@126.com