水-油-冰多层介质中声波传播特性研究

于丹竹,贾 兵,陈 元

(1.国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116032；2.连测控技术研究所，辽宁 大连 16031)

在结冰海区发生的溢油事故，不同于开阔水域，由于原油和海冰相互作用，给溢油监测带来极大困难。尤其是当溢油被冰层覆盖，目前几种较为成熟的针对开阔水域溢油监测、监视技术，如： 水面及空中目测、光学遥感及雷达、卫星遥感等，难于区分海冰和溢油，更难以穿透冰层覆盖，从而导致在应对冰层下的溢油探测需求时不能发挥最佳效果。面对结冰海区的冰下溢油声学探测方法研究，目前在国外已经有多项研究成果。Gill 等[1]对各种冰内、冰下溢油声学探测技术的可行性进行了深入研究，在实验水槽中进行了测试，发现利用水下高频声波对结冰条件下的溢油探测具有明显的优势。Fingas 等[2-3]对结冰区域溢油探测雷达和红外技术进行了回顾，对比分析了声学方法对冰内含石油探测的可能性。Goodman 等[4]利用海冰和石油不同的声学特性，研究了声波在冰内作为频率函数的传播特性，并对冰下溢油进行声学探测方法研究。根据国内外研究学者研究分析表明，在常用及潜在的几种冰下溢油探测技术中，利用声学手段对冰下溢油进行探测的方法是目前最具有发展前景的技术手段之一。

根据声波的物理性质，声波在海水中、冰层中以及石油中均可有效传播，并在不同介质的分界面，将产生反向散射声波。当声波入射到海水、溢油、海冰这三种不同的介质，遇到海水-溢油界面以及溢油-海冰界面所产生的反向散射声波特性具有一定的差异，这些差异是由声传播介质的密度、厚度等物理属性所引起的，据此可形成判断海冰下及海水中溢油是否存在的声学探测方法。本研究通过数值软件仿真和水池实验分析了声波在海水-溢油-海冰分层介质中的传播特性以及海水-溢油、溢油-海冰交界面上声散射时域特性，提取表征冰下溢油的声散射特征，为进一步研究利用声学方法探测冰下溢油技术，提供理论基础。

1 水-油-冰多层介质声传播特性

1.1 水-油-冰多层介质宏观形态及参数设定

根据以往的研究显示，结冰海区近岸海域海冰主要为固定冰或大面积冰原，离岸较远海域则有大量冰脊、水道、潮汐裂缝、堆积冰或重叠冰。由于溢油多为轻质油，比重与海冰相近，会聚集在海水表面或海冰层以下。海冰与溢油相交汇的区域，通常会出现溢油迁移到冰块边缘、聚积在重叠冰附近的水道和水泊中、溢油通过冰自身渗透、在重叠冰内部聚积、在固定冰和大面积冰原区、溢油浮在冰面下等几种状态，如图1[5]所示。本文仅以溢油层在单层冰下表面均匀分布的情况为例，进行初步研究计算分析，如图2所示。

图1 在冰区中油的行为和归宿

图2 海水-石油-海冰多层介质简化模型示意图

为了提取水-油-冰多层介质声散射特性，本文通过仿真及试验设计以下几种工况，在仿真分析中，将进行四种状态的声散射特性仿真分析，包括：水池中有海水和表面有冰(状态 1)、水池中有海水和表面有冰及冰下有油(状态 2)、水池中有海水和表面有油(状态 3)、水池中仅有海水(状态4)。水-油-冰多层介质声传播和散射理论模型如图3所示。

图3 水-油-冰多层介质声传播和散射模型

根据已有的历史文献及资料数据[6-10]，获取多层介质所涉及到的各类材料与声学特性密切相关的物理参数，将其作为数值建模所需的输入参数。本文选取的物理参数如表 1 所示。本文建模所使用的几何模型参照水池实验所使用的人工制备海冰模型以及模拟溢油层的几何尺寸进行简化处理，如表 2 所示。

表1 多层介质材料参数设置表

表2 多层介质模型几何参数设置表 m

1.2 水-油-冰多层介质声传播特性数值仿真

利用有限元分析理论尝试计算冰层及溢油层下的水中声混响场，主要思想是将所研究的冰-油- 水分割成多个单元，各个单元通过节点相互连接，即可将原有多层介质声场问题离散化，通过数值计算得出每个单元内的近似函数，从而得到整个研究域的近似解。针对冰-油-水介质中混响采用COMSOL 软件进行建模计算，本节介绍在做声场仿真建模时在软件中的几个关键设置。首先选取“压力声学，瞬态(actd)”作为分析模式。其次，在软件中的全局下的定义子环节按照表 1 和表 2 设置仿真实验所需要的各种参数及变量，建模几何参数、材料属性定义以及输入声脉冲信号参数等，并进行网格化处理，如所图 4 示。

图4 冰-油-水多层介质网格化

图5 仿真水下传探针传感器设置(单位：m)

在模型底部设置平面波辐射声源，采取正入射方向自下而上对溢油层下表面发射 CW 声脉冲信号，声脉冲信号选用在 20～30 kHz 设计单频脉冲串，一次发射并获取多个频点的回声数据。其表达式如式(1)所示：

Si=cos(2πfit)

(1)

式中：Si为声压幅值，Pa;fi为频率，Hz;t为时间，s。

采用收发合置的接收器，接收液面下表面的反向散射波，因此在水底几何中心位置设置探针传感器，提取该点位置处的声压值，如图5底面中心点位置所示。作为模型的边界条件，应对海冰-空气界面的阻抗值进行设定Zi=1.2 kg/m3×343 m/s 模型四周的边界应设置为开边界条件，表示声波完全透射出去，对声散射声场没有贡献，防止出现壁面效应，产生干扰，通过瞬态求解步骤，即可获得多层介质水下反向声散射特性。

1.3 水池模拟水-油-冰多层介质声传播特性实验研究

在理论模型和仿真分析数据的基础上，建立海水-石油-海冰多层介质水下高频声散射特性测试水池实验系统。测试系统主要由发射声源和声散射信号接收等设备构成。在发射声源方面，主要包括功率放大器、水下发射声源等设备，在声散射信号接收方面，主要包括接收水下声波信号的水听器、测量放大器、信号调理器等。在水池实验现场环境参数监测系统，主要包括水池水温监测计和盐度计等测量设备。在样品状态实时监测方面，主要包括冰样、油层的厚度、尺度等测量设备。测试系统及其在实验水池中的布置方案如图 6 所示。为了避免池壁等环境因素对声散射信号的影响，试验的发射、接收装置均采用指向性声基阵，如图 7 所示。

图6 水池试验系统示意图

图7 指向性换能器设备

图8 油-冰样本的试验状态

图9 试验系统布放实物图

为保证试验效果，需要确保海冰样本厚度质地均匀，本文采用海水和海冰均为人工制备，试验中配置的海水冰层厚度为 18 cm。试验采用的油为天然原油样本，密度小于海水，可自然漂浮于海水表面。油-冰样本的制备，由于原油具有一定的黏稠性，采用人工方式，将其均匀覆盖到海水冰的表面，形成有油-冰样本，油层厚度为 4 cm，如图 8 所示。试验时将模具和油-冰样本一起倒置在海水表面，并用支架固定，模拟冰下溢油的状态，试验系统及样品布放，如图 9 所示。与数值仿真分析一致，采取收发合置换能器由正入射方向自下而上对多层介质下表面发射 CW 声脉冲信号，声脉冲信号选用 20 kHz 单频脉冲串，一次发射并获取多个单频回声数据。

2 数值仿真及模型试验结果对比分析

为验证仿真模型的有效性，通过试验对比分析了四种不同状态下，多层介质的声传播特性，从采集到的时间域信号可以看出，四种情况的界面回波信噪比高，采集信号均有效。比较水体表面为仅有海冰的情况，如图10、图11分别为通过试验方法和仿真分析方法获取的模型底部中心点位置处，自海冰下表面反向散射的声压幅值随时间变化曲线，声波频率为 20 kHz。由曲线中可以看出三个以上峰值点，首个峰值点为声源所发出的直达声，之后接收器位置又分别接收到两次散射信号， 形成第二、三个峰值点。表明当受到声源激励时，冰层的上下表面各发生一次声散射，其信号传输到接收器位置，引起了声压幅值的峰值，对比数值仿真结果，其中也能看到同样的曲线趋势。当水体表面出现溢油及冰层共同覆盖时，则在油层下表面、油-冰界面以及海冰上表面各发生一次声散射， 不论是试验还是仿真分析方法获取的散射声压曲线中，均可观察到有三次较为明显的声压峰值点， 且峰值点所对应的时间节点与油层和冰层的厚度相匹配如图12～图13。

图10 试验获取冰-水界面散射特性数据

图11 仿真获取冰-水界面散射特性数据

图12 试验获取冰-油-水界面散射特性数据

图13 仿真获取冰-油-水界面散射特性数据

通过数值仿真方法，分析了水-油-冰多层介质层厚度变化对声散射特性的影响。如图14所示， 由图中可以看出溢油层厚度由0.04 m 增加至0.10 m 时，曲线中与溢油相对应的第三个峰值点向右偏移。石油在声学介质中属于黏稠液体，由于弛豫作用使得声波在溢油层中发生了一定的能量损耗，因此与之相关的峰值点幅值相对降低。如图15所示，溢油层厚度不变的情况下，海冰层的厚度由 0.18 m增加至 0.40 m 时，可以看出与海冰层相对应的第四个峰值点发生了右移，表明海冰层厚度增加时，声波在海冰层中传播的时延增大，同时由于海冰介质的不均匀性，导致声波在海冰层中发生衰减，引起散射声波幅值一定程度的降低。

图14 不同厚度溢油层散射声压幅值曲线

图15 不同厚度冰层散射声压幅值曲线

3 结 论

本文通过数值软件仿真和水池实验分析了海水-溢油、溢油-海冰交界面上声散射时域特性，提取表征冰下溢油的声散射特征。通过仿真分析与实验验证结果比对，表明通过仿真的方法可以模拟出冰下溢油覆盖水场中的声场时域特性，进行仿真分析可以有效减少冰下溢油实验次数，节约成本， 降低溢油实验对环境造成的压力。在数值仿真中，可以明显看出由冰层和溢油层厚度变化，所引起的冰层下声散射特性变化以及散射信号时域变化。海水-溢油-海冰多层介质受到声信号激励时，不同介质之间的边界层处将会发生反向散射，该信号返回位于底部的测点位置时，会引起该处声压幅值升高，在声波时域特性体现为声压幅值的峰值点。提取表征冰下溢油的声散射特征，可以为进一步研究利用声学方法探测冰下溢油技术，提供理论基础。