“海底山”地形的水下声传播分析

韩引海，江国进，李春风



“海底山”地形的水下声传播分析

韩引海，江国进，李春风

(91388部队45分队，广东湛江 524022)

在声传播测量中，在测线上水深的较大变化，使声传播损失发生显著的变化。海底山和海底凹陷地形对声波的传播有较大影响，使声传播损失出现变大和变小的情况，甚至产生较大的声影区效应，对水声装备的研制和使用有重大影响。对一种特殊海底山地形下的声传播问题进行分析，并结合实验数据对比有无海底山情况下的声传播损失，期望对海洋环境测量和水下武器装备的研制及应用有所启发。

海底山；地形；声传播

0 引言

声波在海洋中传播，就像电磁波在大气层中传播一样，受海水深度、海面风力、海水温度、海水吸收和海底作用等因素的影响，呈现出明显的地域性和季节性。声信号在这种复杂的海洋信道中传播时，会产生衰减、频移和信号展宽等多种现象，使声信号产生失真、衰减和起伏等变化，引起海洋声信道的衰落和模糊，导致水下通信、目标探测和识别的性能下降[1]。

水声环境的复杂多变特性，对水声装备的研制、试验、训练和作战使用提出了严峻的挑战，海区声传播损失是水声环境中最重要的参数，它对声呐、鱼雷、潜艇等水中兵器的目标探测与报警具有较大的影响。近几十年来，科研人员在水中声场模型及数值预报方面做了许多工作，出现了很多数值预报模型。但各模型的适用范围有限，数值预报精度还达不到现代水声装备的应用要求，对精度要求较高时，一般需要实时现场测量[2]。

国外对海底山声传播的研究较早，有研究证明经过海底山的声传播损失比没有海底山的声传播损失增大近35 dB[3]。近年来，国内在海底山对声传播影响方面的研究较多。2015年，中国科学院声学研究所(简称：声学所)在南海进行了一次声传播实验[4]，结果表明，海底山上方声传播损失减小10 dB，在海底山后方声影区比无海底山海区相同位置声传播损失增大10 dB。声学所2014年的另一次综合性深海实验表明[5]，海底小山丘比平坦海区相同声影区位置的传播损失增大约8 dB，海底斜坡上方靠近海面区传播损失减小约5 dB。文献[6]研究表明，相比平坦海底，声波在靠近海底山前传播损失减少近10 dB，在经过海底山后增大了35 dB以上。本文结合实验结果对一种海底山占较大海深范围的特殊地形进行分析，研究这种情况下的声传播损失异常情况。

1 海底地形对声传播的影响

海底地形主要包括大陆坡架、海底平原、海底丘陵山脉和海沟等，南海和台湾岛周边都能找到类似的海底地形。海底由于地形起伏、成分多变和海底底质分层等因素，对声波的影响比海面大得多，预报海底声波损失相对来说更困难。海底对声波的影响主要有反射损失、散射损失和吸收损失，海底沉积物的密度、厚度、衰减系数和声速是影响声波吸收的主要参数[7]。海底山是一种海底起伏变化剧烈的地形，它一般隐藏在大洋海水深处，但也有部分底山离海面很近，其剧烈起伏的海底地形，对声传播的影响很大。

爆炸信号的传播损失(TL)对应的计算公式为[8]

对于实际海底，影响声传播的海底声学参数较多，对海底沉积物参数进行简化，可以得到均匀液态海底的瑞利反射系数公式[8]：

式中：为掠射角；m为海底密度与海水密度之比；n为海水声速与海底声速之比。由式(2)可以看出，海底反射大小除了与海底折射率和密度比有关外，还与声波入射时的掠射角有关。对于同一声源声波，不同海底地形有不同的掠射角，会导致不同的反射结果。存在一个临界掠射角，当掠射角大于临界掠射角时，反射损失较大，当小于临界掠射角时则反之。图1[8]给出了浅海海底小山丘和小海沟地形对声传播的影响，图1中给出的是深度平均的声传播损失曲线，从图中可以看出，声传播损失在海盆地形距离处比平坦海底可以增加约5 dB，而小山丘地形使声传播损失减小5 dB左右。声波在经过海底不平整地形后，在海盆地形可能出现传播损失增大的情况，在海底小山丘后传播损失变大。这种不同的海底地形，对声呐等装备的作用距离有较大影响，需要针对具体地形情况具体研究[8]。

2 一种海底山地形的声传播现象

本文选取一种声传播路线上存在较高海底山脉的地形，根据仿真结果和海上实验数据，对声传播现象进行分析。实验时间为2014年秋季，地点为某海域，发射声源采用定深爆炸声源，接收为16元水面浮标垂直接收阵，最大接收深度为200 m。该测线上海底山离水面较近，海底山最浅处水深约210 m，最大水深约1 300 m，海底山高度约占海区深度的84%，整个测线长度约150 km。声传播测线上的海底地形如图2所示。

图2 测线海底地形水深变化图

仿真采用的声速剖面是类似海区的实测数据，如图3所示。图4为采用抛物方程声学模型分析的仿真结果二维图，其中，声源深度为100 m，信号频率为500 Hz。仿真采用的海底参数为海图数据估算值，海底沉积层厚度为5 m，声速为1 580 m·s-1，密度为1.6 g·cm-3，吸收系数为0.4 dB·λ-1。

图3 仿真计算使用的声速剖面

图4 测线上100 m深度声源500 Hz传播损失仿真图

该测线上海底山较高，最浅处离海面约210 m，声传播受海底山阻挡较明显。从仿真结果可看出，该站点在13 km内信号传播损失小，接收到的信号稳定、强度大，而在28 km后，深度小于100 m时，接收信号很小，信号的信噪比较低，相当于声影区。

图5是不同频率的信号经海底山后的传播损失实测数据图。由图5可看出，对比海底地形图，在海底山前，信号稳定、强度大，传播损失小，而海底山后，传播损失突然变大，接收信号较弱，在50 km外几乎接收不到信号。对比图4的仿真结果，海底山对信号的影响作用相同，结果基本一致。主要是由于海底地形起伏所致，声波传播到海底山边缘时，由于海底山地形的反射作用，使部分声波折向海底山上方位置，从而使该处声信号加强。对于海底山后的信号，由于海底山的阻挡作用，声传播损失变大，部分地方形成声影区。另外，从图6可看出，海底山对不同频率的声波影响基本一致，和平坦海底一样，由于海水吸收系数不同，在相同距离时，低频传播损失小，高频传播损失大，但海底山前频率为100 Hz的信号比频率为1 000 Hz的信号其传播损失小约15 dB，海底山后则小25 dB以上。

图5 测线上实测声传播损失(声源深度100 m，接收深度101 m)

图6为存在海底山地形与平坦海底地形声传播损失实测和仿真对比图，对比频率为500 Hz。在海底山前，仿真和实测声传播损失都小于86 dB，从13 km开始，声传播损失变化加快，在31 km以外，声传播损失都大于100 dB。对比平坦海底，存在海底山地形时实测和仿真的传播损失约少2～7 dB。在海底山后，实测和仿真传播损失都比平坦海底大很多，最大多衰减约24 dB。存在海底山时，仿真数据和实测数据总体基本吻合，在26 km以外，声传播损失仿真结果比实测结果大，可能由测量方式和海面风浪干扰等因素引起。在海底山山顶处，实测和仿真差别较大，这可能是由于海底山顶位置差异引起的。本实验采用浮标测量系统进行声信号采集与存储，秋季航次风浪较大，海浪对浮标的拍打和浮标上下起伏引起的测量阵流噪声使接收信号干扰变大，增大了远距离接收宽频信号的测量误差。

图6 海底山海底与平坦海底传播损失对比图(声源深度100 m， 接收深度约101 m，频率为500 Hz)

图7是一种海底坡地形声传播仿真图，该地形属于大陆架陡坡海底，长度约65 km、坡度约2.6°，存在海底小山丘壑凹陷地形。仿真声源深度为50 m，信号频率为500 Hz，图8为实测声传播损失结果(同条测线往返两次测量结果)。实验中声源和接收设备和前文一样，采用定深爆炸声源，接收采用悬挂16阵元接收阵的水面浮标测量系统。对比图7和图8可见，在38 km内，传播损失较小，信号稳定且强度大；在40～60 km范围内，接收到的信号很弱，信噪比低，信号几乎已被环境信号淹没，声传播损失变化不大，仿真结果和实测结果基本吻合。由图1可以看出，声源在经过海底山丘后和凹陷地形传播时，信号传播损失将比同条件下水平海底造成的传播损失大。从图7海底地形图可以看出，在32 km附近，海底呈小山丘地形，40 km处形成凹陷地形，40 km后呈上升斜坡地形，深度变化剧烈，这种深度变化对声传播衰减有较大的影响。

图9为该种地形下三种频率的声传播仿真图，可以看出，在60 km后，声传播损失很大，已经接收不到信号，30 km后传播损失降低较快，对比地形图和实测数据，基本符合斜坡和凹陷地形的声传播特点。由于仿真地形采用海图数据，和实际测线上地形有一定差异，加之这种海底地形底质参数变化较大，使仿真和实测结果有一定出入。

图7 海底坡地形的测线上传播损失仿真结果图

图8 测线上实测声传播损失(声源深度50 m，接收深度约50 m)

图9 测线上实测不同频率的声传播损失(声源深度50 m)

综合以上仿真分析和实验结果资料，针对海底山占海底深度比较大的这种特殊地形，对比一般平坦海底，可以得出以下结论：

(1) 在海底山前面，声传播损失将比同条件下水平海底的传播损失小，这是因为声波传播到海底山前边缘时，由于海底山地形的反射作用，使部分声波折向海底山上方位置，从而使该处声信号加强。

(2) 在海底山后，声传播损失显著变大，并在一定距离和深度形成明显的声影区。这是由于海底山的阻挡作用，使声传播损失变大，部分地方甚至形成声影区。

(3) 斜坡及凹陷海底地形会导致传播损失加大。斜坡地形中，声源从大深度处向小深度处传播，由于楔形及凹陷海底的散射、反射效应，信号传播损失将比同条件下水平海底造成的传播损失大。

3 结语

海洋声传播受海底海面、海水吸收和声速梯度等方面的影响，不同的信号频率、不同的发射深度和接收深度有不同的声传播结果，具体情况较为复杂。本文利用一次实验数据，针对一种特殊海底山的情况进行了仿真和实验结果对比分析，研究结果对声呐作用距离分析、海区声传播调查方案设计和声传播特性分析等研究具有一定参考价值。

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Analysis of underwater acoustic propagation under the terrain of “seabed mountain”

HAN Yin-hai, JIANG Guo-jin, LI Chun-feng

(91388 Force 45 Units, Zhanjiang 524022, Guangdong, China)

In underwater sound propagation measurements, the great change of water depth along the measuring line can make the sound propagation change significantly. So, the topography of seabed mountains and trenches has a great influence on the sound wave propagation to make the sound transmission loss become larger and smaller, and even produces acoustic shadow effect, which has a great influence on the development and use of underwater acoustic equipment. In this paper, the sound propagation problem under a special seabed mountain terrain is analyzed, and by comparing with the experimental data, the sound transmission loss in the presence or absence of seabed mountain is studied. It is expected that this study will be helpful to the marine environmental survey and the development and application of underwater weapon equipment.

seabed mountain; terrain; sound propagation

P733.21

A

1000-3630(2018)-06-0545-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.06.006

2018-03-07;

2018-04-30

科研创新基金项目(批准号：[2013]34号)。

韩引海(1973－), 男, 陕西咸阳人, 硕士, 工程师, 研究方向为海洋环境测量与分析。

韩引海,E-mail: hanyinhai@163.com