宽吻海豚声散射特性研究

莫晴舒，张培珍，刘欢，沈晨，李高聪

(广东海洋大学电子与信息工程学院， 海洋遥感与信息技术实验室， 广东湛江 524088)

0 引言

各国对于利用声学技术进行海洋生物探测和识别十分重视[1]。早期，Balls[2]利用回声计捕捉鲱鱼，Love[3]测量不同频率个体鱼的目标强度(Target Strength,TS)，Clay等[4]利用大西洋鳕鱼模拟鱼硬骨声散射的特性。近期，Kim等[5]对韩国的养殖鱼类进行非原位的多方位异地目标强度测量。张培珍等[6]研究网箱养殖鱼群发出的声信号在时间和频谱中的特性，张月兰等[7]利用声散射理论和KRM模型对鱼的声散射特性和目标强度进行了计算和评价。以上研究成果为海洋动物目标特性研究和识别奠定了基础。

海豚是生存于海栖环境的特殊类种群，他们对气候转变、环境变化和目标追踪的敏感程度很高，是海洋生态系统里面重要的成员。海豚自身的声呐系统在海洋的浅水、混响、近岸区域使用时，性能明显优于人造系统[6]。作为水下重要的目标之一，掌握海豚等鲸目动物的回声特性及目标强度对于研究近岸水域生态系统和水下安防策略布局具有重大意义。Bernasconiet 等[8]在挪威海对三头大小相近的长须鲸开展主动声探测，测定长须鲸在频率为110 kHz时的总体平均目标强度为-11.4 dB，宽边的目标强度最强，可达-5.6 dB。Love[9]和Levenson[10]测量的座头鲸和抹香鲸的目标强度在宽侧方向约为10 dB，在头部附近约为5 dB，在靠近尾部方向约为-2.9 dB。Lucifredi等[11]于2004年1月在加利福尼亚海岸实验期间获得的灰鲸目标强度测量值，在宽侧方向为12.8 dB 甚至更高，在靠近尾部方向为-2.9 dB。Au 等[12]在1996年测量频率为23～80 kHz高频段，体长为1.05 m的宽吻海豚后向散射目标强度随方位角的变化，且海豚体宽边的目标强度比头部目标强度高5 dB 左右，比尾部最小处目标强度高21 dB左右，并推测海豚的肺器官是最主要散射体。在相同的频段内，文献[13]采用三种不同的声信号对静止的海豚进行后向散射测量，获得宽边方向的平均目标强度为-50～-26 dB，且海豚的平均目标强度的和肺部目标强度都比宽吻海豚低15 dB左右。Miller等[14]提出骨骼是第二强的声反射体，但海豚头部骨骼结构的目标强度并不明显高于身体其他部分。张波等[15]采用比较法，在海豚和标准球壳散射对比实验中测得海豚对频率为75 kHz 的声波反向散射目标强度约为-25.8 dB，该结论中的模型仅针对于频率为75 kHz左右的声波特性进行分析，对于其他频段特性未涉及。

与前人将海豚模型构建简化的“球壳模型”不同，本文借助COMSOL Multiphysics数值仿真软件导入由CT扫描的1∶1宽吻海豚模型，保证了模型的几何近似，分别定义组织的声学特性，保证了模型的材料近似。同时，为解释不同身体结构在目标总体强度中的贡献，将海豚的肺部和肌体进行了分解，单独建模并完成散射远场的数值计算。通过数值方法模拟悬浮在自由声场中的海豚，在不同方位、不同频率入射声波照射条件下，求解肺部、肌体(不含肺部)及海豚三个模型的频率-角度谱和频响，研究肺部及肌体在海豚整体散射声场的作用。利用缩比模型实验，对海豚声特性数值计算结果进行了验证。

1 基于COMSOL声散射数值模拟

1.1 构建模型

本文利用COMSOL Multiphysics压力声学模块构建物理场模型，进行频域计算。海豚模型有限元数值计算仿真的基本过程包括：创建模型组件、添加物理场、数值计算以及数据后处理。创建三维组件是在几何模型创建模块中，将CT扫描的海豚模型导入COMSOL 软件，设置高为1.5 m，半径为0.5 m的圆柱体，分别作为肺部、肌体(不含肺部)及海豚三个模型的水域。密度、声速等相关的声学参数在组件材料的属性明细中设置。

在组件中添加“压力声学，频域” 物理场，将相关的参考声压级及声速分别设置为Pref=1 μPa，cref=1 500 m·s-1，选择平面波作为背景压力场。固定海豚姿态，在0°～360°的旋转入射声波方向，用于获得海豚在全方位的指向分布。几何模型网格剖分方式分两种，目标和背景压力场区域采用自由四面体网格剖分方式，完美匹配层采用扫掠方式进行网格剖分。同时为保证计算精度，四面体网格单元的最大尺寸不超过声波波长的1/6，扫掠层数为6层。

在数值计算模块中，主要的控制方程如式(1)～(6)，选择对应的物理场接口和网格，对入射角度进行参数化扫描，设置相关的计算频段即可在频域上进行求解。求得的数据在数据后处理中采用全局计算方法，将得到的模型数据导出。用于数值计算的三种COMSOL模型构建如图1所示。

图1 海豚及其肌体和肺的有限元模型Fig.1 Finite element models of the dolphins and its body and lung

1.2 方程的频域求解

根据海豚结构建立柱坐标系计算模型。假设海豚体长方向为y轴，通过后处理完成海豚全方位的目标强度计算。根据软件内部的预设方程，计算声压和声压级公式见(1)～(6)。通过式(1)的亥姆霍兹方程在频域求解。

式中：ρc表示材料的密度，keq是材料中入射波的波数，pt为施加在模型上的声压。cc是声波在特定材料中的传播速度，qb是偶极子域源，Qm是单极子域源。

将入射声场公式设置为压力声学模块中的背景压力场，总场pt为入射场pb和散射声场ps之和，表达式为

式中：pb作为背景压力场的平面波，其表达式为

式中：p0是平面波传播幅值，ek是波向矢量，k0是入射波的波数；c0是指入射波在水中的声速，x为海豚边界上的位置。

根据式(1)～(5)求得远场100 m处，海豚的散射声场ps。此时的pref为水中声压1.0×10-6Pa，可计算模型的目标强度，计算公式为

1.3 海豚肌体组织和肺部器官的声参数

海豚肌肉和肺部组织是一种非均匀的、各向异性的声学介质[16-17]，这样的组织结构使得声波在肌体和肺部组织中传播的模式非常复杂。此外，声波在介质中的传播速度不仅与频率和环境温度有关，还跟动物组织中各成分的占比变化有关，当肺部密度下降时，通过肺部的声速也会随之下降[18]。为了定性分析问题，本文做出以下简化和假设：

(1)所涉及到的组织和介质均是均匀的，肺部是充气的软组织。

(2)海豚肌肉是随频率变化具有衰减特性的类流体，肺部无衰减，忽略组织内的剪切分量。

(3)将海豚的皮肤和脂肪等均看作等密度、等声速的肌肉组织。

本文数值计算所采用的肌肉组织声学参数参照文献[19]在平均水温为18.1℃时，给出的声速和密度参数。肺部组织声学参数根据文献[20]设定，海豚组织声学参数如表1所示。

表1 海豚组织声学参数Table 1 Acoustic parameters of dolphin tissues

2 数值计算与分析

采用收发合置方式计算散射远场，声场布局如图2所示。平面波沿正横方向入射时，声波传播方向为x轴，即θ=0°。发射和接收换能器绕海豚中心逆时针旋转一周，接收端距离目标中心100 m，发射频率为1～5 kHz 的调频信号，频率增量为5 Hz，角度增量为1°。

图2 收发合置测试系统示意图Fig.2 Schematic diagram of the transceiver testing system

2.1 频率-角度谱和目标强度概率密度分布

图3分别给出肌体模型(不含肺部)、肺部模型、海豚模型(包含肌体和肺部)关于1～5 kHz 频段远场的频率-角度谱的数值计算结果。图3中的频率-角度谱的伪彩图横轴为测试方位，纵轴为频率，目标散射声压级用亮度表示，单位为dB。

针对所计算频段1～5 kHz，求解0°～360°范围内目标强度的概率分布。不同模型所得到的结果如图4所示。图4 中的红色实线表示正横方向入射，1～5 kHz目标强度的概率分布函数。黑色虚线和蓝色划线分别表示尾部和头部方向入射，相同的计算频段内目标强度概率分布，紫色点划线表示目标强度概率分布(Probability Density Function,PDF)为0.01处的值。

图4 不同入射方向上三种模型的目标强度概率分布函数Fig.4 TS probability distribution functions of the three models in different incidence directionss

分析上述各模型频率-角度谱及目标强度的概率分布，可以明显看到以下特性：

(1)由图3 可知，三种模型的频谱图在正横方向(0°、180°、360°)亮度最亮，即声压级最强。肺部模型和海豚模型在频率-角度谱各方位的归一化声压级具有相似性。由此可以确定，在1～5 kHz频段，海豚的总体声散射中肺部是主要贡献部位。

(2)根据图4所示的0°～360°全向目标强度概率分布函数，得到三种模型的目标强度分布如表2所示。在1～5 kHz范围内，不考虑肺部影响时，肌体模型的目标强度较弱，主要分布在-68.3～-25.9 dB；肺部模型的目标强度约为-32.4～-11.7 dB；海豚(包含肺部)目标强度分布在-36.4～-11.2 dB。

表2 不同入射方向上三种模型的目标强度值Table 2 TS values of the three models in different incidence directions

2.2 频率响应

为进一步说明散射机理，从图3中选取三个特殊方向，即θ为0°(正横入射)、90°(尾部入射)、270°(头部入射)的频率响应进行说明，计算时的频率带宽为1～5 kHz，频率增量为5 Hz。图5 给出了不同模型目标强度随频率变化的结果。

图5 三种模型的目标强度在不同入射方向的频率响应函数Fig.5 TS frequency response functions of the three models in different incidence directions

由图5 中的三个回声方位的关于1～5 kHz 频段内的频率响应特性可知：

(1)对于同一目标，其正横、头部、尾部等不同方位的TS 值随频率变化的起伏特性差异较大。同一方位，肺部和海豚(考虑肺部影响)的目标强度随频率变化的起伏特性差异性较小。

(2)正横方向，去掉肺部影响的肌体模型，频率响应具有起伏特性。在1.2、1.9、2.9、3.7 kHz附近，在4.3、4.8 kHz频率处，图中蓝色三角形标记，频率响应特性表现为较窄的谷值。由于海豚肌体表面是凸光滑表面，Whispering -Gallery 波与镜反射波相互耦合，两者传播行程近似反相所产生的共振效应。这一现象和文献[22]中所提及的共振特性相似，验证生物介质中也存在Whispering-Gallery波。

(3)由于海豚是流线型身体，吻较长，嘴短小，因此肌体模型在头部和尾部的目标强度相对较弱，目标强度在-60 dB 附近起伏，比正横方向偏低约22 dB。

(4)考虑肺部影响时，整体海豚的目标强度较肌体增强，当频率较低时，海豚的目标强度基本与肺部保持一致。由于海豚的肌肉组织是具有衰减性的类流体，随着频率增加，海豚的肌肉组织对海豚整体的声散射衰减作用增强。

(5)肺部和海豚模型，如图5(a)中红色向下箭头所指，在1～2.8 kHz 频段内，正横方向频率响应较窄的谷值仍然存在，较肌体模型向高频处偏移，在2.8～5 kHz 频段内，同样由于肌体组织的衰减特性，海豚与肺部的目标强度差别增大。在尾部方向和头部方向也存在频率响应较窄的谷值，见图5(b)、5(c)中红色向下箭头所指。

3 实验与结果分析

海豚声散射实验在广东海洋大学水声水槽测试系统完成，测量海豚(仅肌体)和海豚(肌体+肺部)模型的时域回波，此时的海豚(肌体+肺部)模型用空腔模拟肺部。实验所采用的模型为树脂材料，缩比模型尺寸是数值计算中所采用海豚尺度的1/5。

3.1 实验布局

实验布局采用收发合置方式，换能器位置固定，海豚模型悬挂在可匀速旋转和移动的装置上，控制海豚模型的吊放深度，使得海豚模型中心与收发换能器在同一平面上。将海豚正横方向作为初始位置，并正对收发换能器，此时入射角θ=0°，发射信号100～250 kHz 的LFM 调频信号，脉冲宽度为0.01 ms，通过旋转目标模型获得0°～360°全方位目标回声信号。背景混响级为-75 dB。水声水槽实验系统长为2 m、宽为1.2 m、高为1.6 m，本次实验验证过程中，水槽水深为1.1 m。目标、水听器和发射换能器位于同一水平线，且目标和水听器之间的距离为1.2 m，发射和接收水听器之间的距离为0.4 m。图6给出目标回声测试实验布局示意图及所采用的模型。

图6 实验布局示意图Fig.6 Schematic diagram of experiment layout

3.2 结果分析

图7所示的伪彩图描述了实验模型的距离-角度时域回波，亮度为目标回波幅度的归一化声压级(dB)。图7对应的频率-角度谱如图8所示，其中θ=0°、90°、180°、270°时，发射和接收换能器分别正对海豚正横、尾部、正横和头部。

图7 肌体和海豚(内含空腔)模型回波强度的距离-角度分布Fig.7 Distance-angle distribution of echo strength of the body and dolphin(body with lung)models

图8 对应于图7的频率-角度谱Fig.8 The frequency-angle spectrum of the body and dolphin(body with lung)models corresponding to Fig.7

分析图7和图8的实验结果，可以看出：

(1)时域回波图中可以清晰地看到两者的目标回波，在正横方向处出现最强的亮点。在频谱图中也能看到正横方向较强的频谱共振峰。

(2)当模型从正横方向旋转至头部，即声波斜入射时，海豚的鳍肢、背鳍、尾鳍等微小结构所形成的回波亮点，其亮点出现在较宽的角度范围内。而尾部、头部比较扁平且尖锐，类似劈尖效应，因此该方位海豚的声压级较低。

3.3 目标强度对比

图9给出实验测试与数值计算得到的全方位目标强度的对比。得到收发合置的全方位目标指向性图。红色实线实验模型测试结果，蓝色点划线为有限元理论模型数值仿真预报结果。

图9 实测和计算的目标强度全向分布图Fig.9 The measured and calculated all-directional distribution maps of the of target strength

通过图9所示实验结果和数值计算结果对比，可以看出：

(1)两种模型目标强度随角度变化呈现出“蝴蝶”状。含肺部的海豚模型目标强度明显高于海豚肌体模型的目标强度。

(2)在图9(a)中，实验模型测得的目标强度在正横方向约为-32.0 dB，头部方位约为-50.3 dB，尾部方位约为-48.2 dB。数值预报结果中，有限元理论模型的目标强度在正横方向约为-29.0 dB，头部方位约为-56.7 dB，尾部方位约为-47.6 dB。实验模型斜入射方位的目标强度较有限元理论模型测试结果相差较大。原因是由于实验模型的海豚(仅肌体)树脂材料存在弹性波，所以当入射波斜入射时目标强度相对于理论计算存在增强。

(3)在图9(b)中，实验模型测试得到的目标强度在正横方向约为-24.0 dB、在头部方位约为-34.2 dB、在尾部方位约为-33.6 dB；斜入射方位存在的旁瓣主要是由海豚鳍肢、背鳍、尾鳍等角点回波叠加形成的。数值预报结果中，海豚模型的目标强度在正横方向约为-22.3 dB、头部方向目标强度约为-34.2 dB、尾部目标强度约为-34.3 dB。实验模型在正横方向附近的目标强度较理论模型低约2～4 dB，在头部和尾部方向吻合较好。

4 结论

通过数值计算和实测结果研究海豚收发合置散射特性，得出以下结论：

(1)肺部是海豚声散射的主要影响因素，海豚模型的频谱特性与肺部模型的频谱在各方位的强度特性具有相似性，其目标强度随角度变化呈现“蝴蝶”状。同时，在低频情况下，随着频率提高，海豚的肌肉组织对海豚整体的声散射衰减作用增强，机体的贡献逐渐增大。

(2)海豚的不同方位目标强度随频率变化的起伏特性差异较大。肌体模型的频率响应在1.2 kHz、1.9、2.9、3.7 kHz附近，在4.3和4.8 kHz附近出现明显的较窄谷值，验证了生物组织介质中也存在Whispering-Gallery波。

从本文的研究中明显看到数值计算和实测结果吻合较好，但是仍然存在一定的误差。产生误差的主要原因是实验模型的肌体是树脂，与理论数值计算模型中的声参数存在一定的差异；水池实验在有限的空间中完成，目标的回波中存在叠加了界面产生较强的混响。真实的肺部组织具有各向异性，在特定的频率吸收的声能不同，其共振频率也会存在差异。文中存在的不足之处是数值计算中的海豚声学参数是在几个特定假设情况下设定的，而真实海豚肺部不仅包含空气和软组织，还存在弹性壁表面和外骨骼结构等。