浅海声场相干特性研究

万 骏

（三峡大学 湖北 宜昌 443003）

1 引言

当声音在浅海中进行传播时，浅海中的介质会引起声音与声音周围边界的非均匀声散射，散射反向性的声波会与声源的接收器声音产生叠加形成混响，散射的声波会释放能量引起接收信号声波幅度发生较大波动，频率产生非均匀变化。声波受浅海影响会出现多段短声波多途到达接收器，使得接受声波在相位关系上存在着随机性变化，因此会出现在同一浅海位置不同时间发出声源，接受点回收信号会随着时间发生不规则变化的现象。

接收点接受信号之所以会发生随时间不规律变化很大程度上是受到了内波动等浅海海洋动力的影响。本文将进行公式推导与数值仿真两种方式进行对于浅海声场相干特性的研究，在仿真方面通过对于2014年南海海域中存在的数值标准进行仿真，在公式推导方面进行对于空气声源声场相干特性分析与浅海声源声场相干分析共同进行，并寻找两者的相干特性。

2 纵向水平相关简正波计算

空气与海水间存在比较大的声阻，这就会导致声源从水下发出声波时，会发生某一点声压的数值正好是0的点，那就是软边界点。在现实中这一软边界的点存在在空气与海水分割面上，根据简正波的理论可以得出，位于水下的声场可以利用下列方式来表达：

在这个公式中，H代表着海深程度，声源深度用z来表示，其中的汉克尔第一类函数使用H0来代替的，在远场中汉克尔函数还有一种近似表达式：

同时还有第二种可能就是声源来源方式不同，当生源不是来自于浅海中而是存在空气中时，就要进行对于声音投射关系进行研究，第一种情况中的软边界就不存在了，取而代之的是从静止空气中将声音传递到均匀介质的浅海内部，位于空气中的声源与空气浅海分界点相距为h，浅海海深H，根据简正波公式可以推导出：

在公式中当z取值为0的时候，是公式一次微分z方向的值，根据一式与三式的对比可以得出，无论声源的位置位于空气中还是位于水中，对于相对同一位置的水下声场来说，两个公式中简正波所对应的第N阶简正波时不变的，发生改变的只有每一号简正波中存在的简正波激发系数，即：

3 数值仿真

在计算中通过公式证明了空气中进行的声源发声接受与浅海中进行的声源发声接受水平纵向相关特征是相对一致的，但是要进一步证明这一观点，需要进行数值仿真实验。仿真需要两个声源S与A，S是位于空气中的，而A是位于浅海中的声源，R作为接收器放置在海域深处，其中的参数设置与环境模型如图1所示。

图1 环境参数与环境模型

数据模拟的是在2014年5月份南海海域进行的一次真实实验采集到的空气声实验测量值。根据具体情况分析对于声源的频率采取125～131Hz，声源深度采取四个方位，分别是-4.1m，-10.0m，4.1m与10.0m四个对应位置。模拟仿真使用软件程序KrakenC进行对于声源产生声压的计算，选取某一具体距离r当做统一标准，对于数据进行对于逆傅里叶变换并从中取得时域声压，对于浅海下声场的相关系数水平纵向的仿真结果如图2所示。

图2 实验浅海接受声速

图中以4.5km作为标准距离，图中的曲线代表着相对不同的深度中，浅海下声场相关系数水平纵向取值，进行对于数值对比会发现，当浅海中接受器与声源的位置相对固定的时候，变化的声源深度基本并不会影响到相关系数水平纵向，这也在另一个方面上证明了，空气中的声源与浅海中的声源对应的相关系数水平纵向周期是并不会因为声源位置发生改变的，这与之前得出的结论是相同的。

观察数值变化幅度会发现，在-4.1m到-10.0m所对应数值的变化幅度相对比较小，但是当声源深度在4.1m～10.0m之间，也就是当声源存在在空气中的时候，数值幅度会变得相对较大，前后两段幅度变化差距较大。通过上面公式可以发现，当声源位置在空气中时，选取的浅海中对应有效声源相关系数中的没有发生变化的，所以当公式中其他参数发生变化时，对于结果产生的波动较大，所以才会出现图中的数值较大波动。

4 结语

我国国防中一大重要研究主题就是水声通信工程，这一项目也越来越多的应用在了海洋环境保护研究方面、海洋资源开发研究方面以及海洋数据收集研究方面，本文将海洋干扰通过数据公式形式展现出来，相对全面的展示了在浅海内力干扰下海洋声波传播损失与补充数值，相对具体的分析了海洋声波波动频率转变方式与数据。通过公式的带入与数值的仿真，本文得出了两个结论：

（1）通过对于南海海域浅海空气声仿真数据得出，当以128Hz作为标准声源频率时，无论声源存在的深度时空气还是浅海，接收到的相关系数水平纵向结构都是相同的；

（2）通过对于公式分析与简正波理论推导，延伸出了在空气中声源传递声音与在浅海中声源传递声音的数字表达式。

[1]李风华，张仁和.浅海声场相干特性研究[C]//全国水声学学术交流会，2009.

[2]李秀林.浅海声场水平纵向相干特性及其应用研究[J].声学所博硕士学位论文，2004.

[3]彭汉书.浅海声场矢量物理特性及应用研究[J].2007.

[4]朱良明.基于矢量水听器的浅海矢量声场特性及其应用研究[D].中国科学院大学，2015.

[5]孙梅，李风华，张仁和.浅海声场垂直振速与水平振速相关特性及应用[J].声学学报，2011(2)：215-220.