深海地形对声传播特性的影响

郑晓庆，郁红波，董彩萍，安 舒

（1.海军航空大学，山东 烟台 264001；2.中国人民解放军92781部队，海南 三亚 572000）

相对于浅海400 m以内平坦大陆架，深海的海底地形更为复杂。深海海底多以“山体”为主，同时存在大量的“海盆”和海沟，因此，研究深海海底地形对声传播的影响和声呐的使用尤为重要，人们对此开展了大量的工作［1-6］。

杨家轩等通过BELLHOP模型仿真不同高度海底“山体”对声传播的影响，通过仿真发现深海中声线传播对于“山体”地形变化的敏感性很强，“山体”越高，对水下声传播的多径时延影响越大［7］。同时仿真了不同掠射角和声线数量对声传播的影响，发现合适的掠射角、声线数目均对水下声场有重要影响［8］；胡治国通过实验研究了海底“山体”和小山丘对声传播的影响，并且对声线在深海传播中由地形引起的物理现象进行了解释［9］；张鹏研究了深海不完全声道环境下的海底反射对声传播的影响，通过实验观测到不同于深海会聚区的海底反射会聚现象，在直达声区范围内的海底隆起可导致海底反射会聚区提前形成，并使得部分影区的声强明显提高［10］。

本文通过BELLHOP模型仿真了海底的多种地形类型，包括“山体”、“海盆”以及平坦地形，通过本征声线和时间到达结构对仿真过程中出现的物理现象给出合理解释，为后期深海环境下声传播的影响研究提供重要的理论依据。

1 海底地形模型

本文采用BELLHOP模型通过建立∗.bty文件对海底地形进行建模。图1为∗.bty文件的具体格式，其中，r为距离声源的距离，km；h为“山体”或“海盆”的相对于平坦地形的高度，平坦地形的深度为5 km。

图1 ∗.bty文件参数文件设置

本文假设海底地形形状服从正态分布，因此，通过正态分布函数生成图1∗.bty文件中的参数。

假设“山体”服从均值μ＝30 km，方差σ＝7 km的正态分布，正态分布概率密度函数为

则“山体”曲线函数为

“海盆”的曲线函数为

其中，z为海水的深度；z1为“山体”的高度。本文水深为5 000 m，“山体”高度为2 000 m。通过仿真得到了“山体”和“海盆”的模型图，如图2所示。

图2 “山体”和“海盆”模型图

2 不同海底地形下的声传播

图3是南海深海最典型的声速剖面，声速剖面的声道轴大概在1 km深度，最小声速为1 500 m／s，海面声速为1 564 m／s，小于海底的声速1 575 m／s，属于典型的深海声道。

图3 深海声道声速剖面

实验所用换能器的入水深度为1 km，工作频率为3 kHz，通过BELLHOP模型得出了海底为平地、“海盆”和“山地”下的传播损失，如图4所示。

图4中利用颜色的深浅将特定海域的声传播损失大小表示出来，图中深蓝色区域表示声线密度小，声传播损失较大，通常称该区域为影区。在深度为1 km左右，声线围绕声道轴传播，随着该区域声线数量的不断增加，声传播距离也不断增加，该现象称为深海表面声道效应。图4b）和图4a）进行比较，当声线经过海盆时，“海盆”声线的传播路径会随着“海盆”深度的增加而下移，所以造成“海盆”地形下，海面的影区大于平坦地形下海面的影区，但由于声线传播途径的下移，“海盆”周围声线会增加，造成附近的影区减少。图4c）和图4a）比较，由于“山体”的作用，造成海底出现大面积影区，同时由于“山体”表面对声线的反射作用，导致声线提前反射，声线在海面聚集，声强不断增加，形成了会聚区。

图4 三种海底地形下的声传播损失

为了定量分析上述现象，对接收点分别处在深度500 m、1 km、3 km、4 km的传播损失进行计算和对比，如图5所示。

图5 接听器处在不同深度传播损失的计算与比较

通过图5可知，无论接收点处于什么深度，声源附近的传播损失相对较少。对于图5a）在10 km左右区域内出现了影区，主要由声速分布特点决定的，造成了声线在传播过程中无法达到该区域，与图4中10 km处海表面出现影区基本吻合，在30 km区域内，声线经过“山体”表面的反射，海面声线聚集，造成该区域的传播损失小于其他地形的传播损失，形成会聚区；图5b）中表示接收点深度处于1 km时的传播损失小于接收点处于其他深度时的传播损失，并且，由于表面声道效应，声线在声道轴传输距离最远，因此，当换能器处于该入水深度时，对处在该层的目标拥有最大的探测距离；图5c）中，当接收器处在3 km的深度时，“山体”的传播损失在30 km处明显增大，形成大面积影区，但大概在60 km附近，“山体”和平坦地形的传播损失又急剧减少，形成小面积的会聚区；图5d）中，当接收器的入水深度为4 km时，由于“山体”的阻挡，在30 km附近产生了大面积的影区，声线传播同样受“海盆”的影响，在距离声源56 km处传播损失明显增大，形成了影区。

本文对于接收点入水深度为500 m，“山体”地形在30 km处出现会聚区，入水深度为3 km时，“山体”地形在40 km和60 km时出现传播损失变化，入水深度为4 km，“海盆”地形在56 km处传播损失急剧增大的现象进行解释。

3 对于海底地形对声传播影响的解释

1）对于图4a）中当接收点距离声源30 km时，“山体”的传播损失小于其他地形，下面利用本征声线和时间到达结构来解释“山体”地形下出现了小面积会聚区的原因。当接收点距离声源30 km，入水深度为500 m时到达的本征声线以及时间到达结构如图6所示。仿真过程中声呐掠射角为34.3°（掠射角为绝对值），声线数目Beams＝1 000，图6d）中，红色代表“山体”地形下时间到达结构，青色为平坦地形下时间到达结构，蓝色为“海盆”地形下时间到达结构。

从特征声线传播途径来看，由于“山体”表面对声线的反射，造成大部分特征声线的传播跨度减少，到达接收点的本征声线相对于其他地形的数量要多，在“海盆”地形下，本来要到达接收点的本征声线由于“盆地”的原因，造成一部分本征声线陷入了“海盆”中，例如图6b）中的蓝色声线；从时间到达结构来看，“山体”地形下，到达接收点的本征声线数量最多，达到了8条，由于声线的提前反射，减小了本征声线到达接收点的延迟时间，增加了到达接收点本征声线的声强幅度，造成了图5a）中距离声源30 km时，“山体”地形下的传播损失小于其他地形。

图6 当接收点距离声源30 km，入水深度为500 m时到达的本征声线以及时间到达结构

2）利用相同原理解释图5c）中在40 km附近“山体”地形下声传播损失急剧下降的原因，将接收点的入水深度设置为3 km。

当接收点距离声源40 km，入水深度为3 000 m时到达的本征声线以及时间到达结构如图7所示。由图7可知，当海底地形为平坦地形和“海盆”时，有从发射点直接到达接收点的本征声线，青色的表示直接到达的本征声线，表示在传播过程中没有经过海底和海面的吸收反射，因此，声线到达接收点携带的能量较多，但同时由于“盆地”对声线的吸收作用，造成图7d）中虽然二者到达时间相同，但“海盆”地形下声线携带的声强要小得多。海底地形为“山体”时，本征声线没有直接到达接收点，而是经过海面和海底的反转，并且相对于平坦地形来讲，“山体”地形下声线经过海底和海面反射的次数较多，造成声线能量大部分在传输过程中被吸收，从图7d）中也可看出，“山体”地形下声线到达接收点的时间比其他地形下的时间长，并且幅度小得多，因此，在这个区域内才会造成图5c）中在40 km附近“山体”的传播损失大于其他地形。

图7 当接收点距离声源40 km，入水深度为3 000 m时到达的本征声线以及时间到达结构

3）利用相同原理解释图5c）中在60 km附近“山体”和平坦地形下声传播损失急剧下降的原因，将接收点的入水深度设置为3 km。

当接收点距离声源60 km，入水深度为3 000 m时到达的本征声线以及时间到达结构如图8所示，可以看出，接收点在3 km时，无论在何种地形下，均有直达的声线没有经过海底和海面的吸收，因此，三种地形下到达接收点最早的时间大致相同，根据图8d）可知，“山体”和平坦地形下，到达接收点的声线强度幅值较强，形成小面积的会聚区，因此图5c）中在距离声源60 km处出现了“山体”和平坦地形下传播损失急剧减少的现象。

图8 当接收点距离声源60 km，入水深度为3 000 m时到达的本征声线以及时间到达结构

4）对于接收点处于4 km，距离声源56 km处，“海盆”地形下传播损失明显增大的现象进行解释。

当接收点距离声源56 km，入水深度为4 km时到达的本征声线以及时间到达结构如图9所示，可以看出，三种地形下均没有直达接收点的本征声线，所有声线均受过海面和海底的反射和吸收，但“海盆”下，由于大量声线陷入盆地之内，改变了原来声线的传播路径，造成一部分该到达接收点的本征声线由于传播路径的改变无法到达接收点，造成了图9b）中很多本征声线无法到达实验设置的接收点，因此，相对于其他两种地形，“海盆”地形下接收点实际接收本征声线数量少于实际接收的本征声线数量，从时间到达结构来讲，虽然“海盆”地形下本征声线到达接收点的时间早，但幅值低，对声场的贡献较小，反观其他两种地形，声线在到达时间37 s和38 s之间幅值比“海盆”地形的大，并且在其他到达时间内，幅值仍然比“山体”和平地的小，因此造成了图5d）中“海盆”在距离声源56 km处传播损失急剧增大的现象。

图9 当接收点距离声源56 km，入水深度为4 km时到达的本征声线以及时间到达结构

4 结束语

本文通过BELLHOP模型仿真了深海声道声速梯度下“山体”、“海盆”和平地地形的声传播特性，并且对典型接收点入水深度500 m、3 km、4 km的传播损失进行数据分析，并得出以下结论：

1）当接收点处于500 m时，由于山体表面对声线的反射，在距离声源30 km处形成了相当面积的会聚区，传播损失相对于“海盆”和平坦地形的传播损失减少10 dB左右；

2）当接收点处于3 km时，由于“山体”对声线的阻挡，导致到达接收点的声线密度减少，在距离声源40 km附近生成了大面积的影区，并且传播损失相对于“海盆”和平坦地形的传播损失增大了30 dB左右；在距离声源60 km处，相对于“海盆”地形，“山体”和平坦地形的传播损失明显减少30 dB左右。

3）当接收点处于4 km时，由于“海盆”地形对声线的作用，改变了声线传播的路径，造成在距离56 km处产生了小面积的影区，相对于“山体”和平坦地形的传播损失明显增大了30 dB左右。

本文对于上述深海地形下声线传播过程中出现的物理现象，利用本征声线的传播和时间到达结构进行解释，为后期声呐的使用和深海环境下的声传播研究提供重要的参考意义。