鹿力成1，2?　馬 力1，2

（1中國(guó)科學(xué)院水聲環(huán)境特性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　北京　100190）（2中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所　北京　100190）

?研究報(bào)告?

大陸架低頻聲傳播建模研究

鹿力成1，2?馬 力1，2

（1中國(guó)科學(xué)院水聲環(huán)境特性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100190）（2中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所北京100190）

在過(guò)去的幾十年中大陸架斜坡海域的低頻聲傳播得到越來(lái)越多的重視。針對(duì)爆炸聲作為聲源的一次海上實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)大陸架海域的低頻遠(yuǎn)距離聲傳播進(jìn)行了建模研究。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中單水聽(tīng)器布放在水下大約240 m處接收爆炸聲信號(hào)，對(duì)兩條不同測(cè)線的傳播損失進(jìn)行了處理。本文結(jié)合海底地聲模型并考慮了聲速剖面的水平變化，利用拋物方程方法對(duì)傳播損失進(jìn)行建模。模擬計(jì)算該海域的傳播損失同實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)相比具有較好的一致性。

低頻聲傳播，傳播損失，大陸架斜坡，地聲模型

1　引言

在過(guò)去的幾十年中，大陸架斜坡海洋環(huán)境中的聲傳播研究在理論［1-4］和實(shí)驗(yàn)［5-8］都得到越來(lái)越多的重視。在聲傳播建模過(guò)程中需要考慮眾多因素，如海水聲速剖面結(jié)構(gòu)、海底地形變化、海面粗糙度、海底粗糙度和海底介質(zhì)的聲學(xué)特性等。然而在多數(shù)低頻情況下忽略了海面和海底的粗糙度對(duì)聲傳播的影響。S.E.Dosso等［5］人觀測(cè)到了由于海底地形變化引起了聲傳播聚焦特性。Juan［6］分析了海底地形變化測(cè)量精度和海底地聲反演模型對(duì)低頻聲傳播的影響。俄羅斯的R.A.Vadov［7］和A.V. Mikryukov［8］分別分析了從深海到淺海的遠(yuǎn)距離聲傳播問(wèn)題。潘長(zhǎng)明［9］分析了聲速剖面的變化對(duì)聲傳播的影響。

為了研究大陸架斜坡海域的低頻聲傳播特性，在大陸坡沿著兩條不同測(cè)線進(jìn)行了一次海上聲傳播實(shí)驗(yàn)，該海域海底地形變化非常復(fù)雜。本文給出了聲波沿大陸架上坡方向傳播的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并建立了大陸架海域海底地聲模型。利用該海底地聲模型對(duì)聲傳播理論計(jì)算并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

2　實(shí)驗(yàn)介紹和數(shù)據(jù)處理

2010年在大陸坡架海域進(jìn)行了一次聲傳播測(cè)量實(shí)驗(yàn)。自容式單水聽(tīng)器布放在水下大約240 m接收爆炸聲信號(hào)。實(shí)驗(yàn)船沿著兩條確定測(cè)線投放爆炸聲源，爆炸聲源間距大約1.2 km，爆炸深度大約295 m。實(shí)驗(yàn)船分別沿著H-A和H-B航線投放爆炸聲源。圖1分別給出了兩個(gè)測(cè)線海底地形變化和在航行過(guò)程中測(cè)量的聲速剖面。H-A航線上H點(diǎn)處海深650 m，隨著距離增加逐漸變深，在76 km處海深為2880 m，然后開(kāi)始變淺越過(guò)一個(gè)小的海底山。H-B航線上海深逐漸增加，在60 km處達(dá)到1800 m，然后有一個(gè)較為平坦的海底盆地。聲速剖面是通過(guò)在航行過(guò)程中投放的XBT測(cè)量的溫度剖面得到。XBT的最大測(cè)量深度為500 m，其它深度上的聲速是通過(guò)在A點(diǎn)和B點(diǎn)利用CTD測(cè)量聲速剖面差值得到。圖2給出了在A點(diǎn)和B點(diǎn)利用CTD測(cè)量的聲速剖面，聲速最小值的深度大約為1200 m處。

水聽(tīng)器接收到爆炸聲信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，在1/3倍頻程內(nèi)得到聲能量計(jì)算傳播損失，傳播損失計(jì)算的頻率范圍為50 Hz～400 Hz。傳播損失的計(jì)算公式如下：

其中TL為傳播損失，SL為聲源級(jí)，RL為接收信號(hào)的聲壓級(jí)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的是一種標(biāo)準(zhǔn)爆炸聲源，每個(gè)爆炸聲的源級(jí)相差很小，圖3給出了13個(gè)該類(lèi)爆炸聲的源級(jí)平均值和方差，可以看出在低頻段內(nèi)聲源級(jí)的變化非常小，其中方差的最大值為0.77 dB。

圖1　兩條航線上的海深和聲速剖面Fig.1 Water depth variation and sound speed profiles along the two tracks

圖2　A點(diǎn)和B點(diǎn)測(cè)量的聲速剖面（CTD）Fig.2 The measured sound speed profiles at A and B（CTD）

為了保證接收到遠(yuǎn)距離爆炸聲信號(hào)的有效性，選取頻域上信噪比大于10 dB的頻段計(jì)算聲傳播損失，中心頻率為50 Hz，90 Hz，200 Hz和400 Hz，帶寬為1/3倍頻程。圖4給出了兩條測(cè)線上不同頻率的聲傳播損失曲線，其中實(shí)線為H-A測(cè)線上的傳播損失，點(diǎn)虛線為H-B測(cè)線上的傳播損失。在50 Hz時(shí)兩條測(cè)線上的傳播損失差別不大，而在較高頻率50 km外測(cè)線H-B傳播損失比H-A傳播損失大10 dB以上。H-A測(cè)線上在100 km處由于海底地形的變化傳播損失突然減小很多，而對(duì)于H-B測(cè)線傳播損失在60 km以外變化很小。

圖3　爆炸聲源級(jí)Fig.3 Source level of detonation

圖4　中心頻率為50 Hz，90 Hz，200 Hz和400 Hz傳播損失曲線Fig.4 Transmission losses versus range for the 1/3-oct bands centered at 50 Hz，90 Hz，200 Hz and 400 Hz

3　聲傳播建模

本文采用M.D.Collins［10］給出的拋物線方法（PE）對(duì)水平變化情況下的傳播損失建模。這種水平變化環(huán)境下的聲場(chǎng)計(jì)算程序（RAM）是基于分裂步進(jìn)的Padé近似求解聲波方程，它能夠計(jì)算寬角度的傳播模態(tài)和通過(guò)能量守恒的方法修正分界面問(wèn)題。

傳播損失的建模需要考慮幾何擴(kuò)展、水中吸收和海底的相互作用。水中的吸收系數(shù)利用Urick［11］給出的半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到

這里頻率是千赫茲（kHz）。通過(guò)對(duì)RAM聲場(chǎng)計(jì)算程序進(jìn)行修改，使它能夠處理包含水中衰減的傳播問(wèn)題。數(shù)值仿真結(jié)果表明在150 km范圍內(nèi)，即使在400 Hz水中的衰減系數(shù)為0.02 dB/km，水中的衰減對(duì)傳播損失的計(jì)算影響很小。因此在后面的數(shù)值計(jì)算中忽略了海水的衰減。

海底的地聲模型為一個(gè)沉積層覆蓋在半無(wú)限大基底層上。盧博［12］和鄒大鵬［13］指出大陸架區(qū)域海底沉積層是高聲速海底。盧博給出了大陸架區(qū)域海底采樣的平均值為1490 m/s，而鄒大鵬建立了一個(gè)高聲速的海底地聲模型，海底表層聲速為1507 m/s。假設(shè)大陸架上基底層的聲速隨距離水平變化很小，根據(jù)Lu等［14］反演獲得該海域的大陸架基地聲速為1750 m/s。通過(guò)數(shù)值模擬傳播損失和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，結(jié)合上面海底地聲模型的分析，建立的地聲模型如圖5所示。海底表層的聲速為1500 m/s，聲速梯度為3 s-1，沉積層厚度為10 m，沉積層和基底層的密度分布為1.5 g/cm3和1.7 g/cm3，海底的衰減系數(shù)為

這里頻率單位為千赫茲（kHz）。將建立的海底地聲模型、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量的海底地形和聲速剖面帶入聲場(chǎng)計(jì)算模型。為了和測(cè)量的傳播損失比較，數(shù)值模擬傳播損失的計(jì)算為1/3倍頻程內(nèi)20個(gè)頻率點(diǎn)的相干傳播均值。圖6和圖7分別給出了RAM模型計(jì)算的傳播損失和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，兩者符合較好。

圖5　海底地聲模型Fig.5 Seabed geoacoustic model

圖6　模擬傳播損失與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比（H-A）Fig.6 Comparison of PE model results with measured TL（Track H-A）

在H-A航線100 km處，從模擬結(jié)果明顯能看到聲場(chǎng)聚焦現(xiàn)象。在H-B航線70 km處，除了400 Hz以外其它頻率的聲傳播損失增加很多，而400 Hz的聲傳播損失在75 km和100 km處有小的突起，即傳播損失變小。這些小的突起對(duì)海底表層的聲速非常敏感。H-B航線60 km以外海深變化范圍1800～2000 m，在這個(gè)深度上海水的聲速大約1492 m/s，只有海底聲速高于水中聲速模擬的傳播損失才能和實(shí)驗(yàn)中觀察到的傳播損失小突起相吻合（圖7圓圈所示）。圖8數(shù)值模擬了海底表層聲速分別為1500 m/s和1510 m/s時(shí)的傳播損失曲線。海底表層聲速只能比海底海水聲速略大，如果海底聲速過(guò)大模擬的傳播損失將會(huì)出現(xiàn)很大的突起。這也是在前面地聲建模中選取了沉積表層聲速為1500 m/s的一個(gè)重要原因。

在上面的計(jì)算中考慮了海水聲速剖面的水平變化情況。圖9給出了不同距離上從海面到水深500 m處的海水聲速剖面變化情況。由于聲源深度和接收水聽(tīng)器深度都在240 m以下，因此嘗試?yán)闷骄曀倨拭娲嫠阶兓闆r下的聲速剖面計(jì)算H-A航線傳播損失，如圖10所示。通過(guò)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)平均聲速剖面計(jì)算的傳播損失和水平變化情況下計(jì)算的傳播損失差別很小，H-B航線有類(lèi)似結(jié)果，說(shuō)明在這種情況下聲速剖面的水平變化對(duì)聲傳播損失影響很小。

圖7　模擬傳播損失與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比（H-B）Fig.7 Comparison of PE model results with measured TL（Track H-B）

圖8　數(shù)值模擬不同的海底聲速下傳播損失（400 Hz）Fig.8 Simulation of TL using different seabed velocities（400 Hz）

圖9　H-A航線聲速剖面變化情況Fig.9 The sound speed profile of different ranges in top 500 m

圖10　平均聲速剖面代替水平變化聲速剖面（H-A航線）Fig.10 Comparison of TL between range dependent SSP and average SSP（Track H-A）

4　結(jié)論

本文分析了大陸架海域低頻聲傳播數(shù)據(jù)，給出了50 Hz～400 Hz帶寬內(nèi)四個(gè)頻率點(diǎn)處帶寬為1/3倍頻程的聲傳播損失。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)海底的地形和聲速剖面同時(shí)進(jìn)行了測(cè)量。利用單水聽(tīng)器接收爆炸聲信號(hào)，對(duì)兩條大陸架海域的不同航行的傳播損失數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。兩條航向上的聲傳播有較大差別，H-A航向的傳播損失小于H-B航向的傳播損失。用水平距離變化的聲場(chǎng)計(jì)算模型對(duì)傳播數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬。建立了具有兩層結(jié)構(gòu)的海底地聲模型，計(jì)算的傳播損失和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。然而在傳播損失對(duì)比中還是有一些缺點(diǎn)，如H-A航向上，50 Hz模擬的傳播損失較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏大，這可能是因?yàn)榻⒌乃暛h(huán)境模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單。上百公里范圍水聲環(huán)境是復(fù)雜多變的，建立相對(duì)復(fù)雜和體現(xiàn)真實(shí)海洋環(huán)境的模型是進(jìn)一步的研究工作。

［1］JENSEN F B，KUPERMAN W A.Sound propagation in a wedge-shaped ocean with a penetrable bottom［J］.J. Acoust.Soc.Am.，1980，67（5）：1564-1566.

［2］COLLINS M D.A split-step pade solution for the parabolic equation method［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1993，93（4）：1736-1742.

［3］GOH J T，SCHMIDT H，GERSTOFT P，et al.Benchmarks for validating range-dependent seismo-acoustic propagation codes［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering，1997，22（2）：226-236.

［4］HOVEM J M，TRONSTAD T V，KARLSEN H E，et al. Modeling propagation of seismic airgun sound and the effect on fish behavior［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering，2012，37（4）：576-588.

［5］DOSSO S E，CHAPMAN NR.Measurement and modeling of downslope acoustic propagation loss over a continental slope［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1987，81（2）：258-268.

［6］ARVELO J I.Is higher resolution bathymetry always better for undersea sound propagation modeling？［C］.Proceedings of Meeting on Acoustics，154th Meeting Acoustical Society of America，New Orleans，Louisiana，2007.

［7］VADOV R A.Long-range sound propagation in the northwestern region of the pacific ocean［J］.Acoustical Physics，2006，52（4）：377-391.

［8］MIKRYUKOV A V，POPOV O E.The effect of geoacoustic characteristics of the bottom on the long-range sound propagation in an inhomogeneous ocean［J］.Acoustical Physics，2006，52（4）：435-439.

［9］潘長(zhǎng)明，高飛，孫磊，等.淺海溫躍層對(duì)水聲傳播損失場(chǎng)的影響［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（4）：401-407.

PAN Changming，GAO Fei，SUN Lei，et al.The effects of shallow water thermocline on water acoustic transmission loss field［J］.Journal of Harbing Engineering University，2014，35（4）：401-407.

［10］COLLINS M D.The stabilized self-starter［J］.J.Acoust. Soc.Am.，1999，106（3）：1274-1276.

［11］URICK R J.Sound propagation in the sea［M］.Washington：Defense Advanced Research Projects Agency，1979：89-97.

［12］盧博，李趕先，張福生，等.南海南部海域海底沉積物彈性性質(zhì)及其分布［J］.熱帶海洋學(xué)報(bào)，2005，24（3）：47-54.

LU Bo，LI Ganxian，ZHANG Fusheng，et al.Elastic properties of seafloor sediment in southern South China Sea and their distributions［J］.Journal of Tropical Oceanography，2005，24（3）：47-54.

［13］鄒大鵬，閻貧，盧博.基于海底表層沉積物聲速特征的南海地聲模型［J］.海洋學(xué)報(bào)，2012，34（3）：80-86.

ZOU Dapeng，YAN Pin，LU Bo.A geoacoustic model based on sound speed characteristic of seafloor surface sediment of the South China Sea［J］.Acta Oceanologica Sinica.2012，34（3）：80-86.

［14］LU Licheng，MA Li.Geoacoustic Inversion using standard explosive sources［C］.1st International Conference and ExhibitiononUnderwaterAcoustics，Corfuisland. Greece，2013.

Modeling of low frequency acoustic propagation loss across a continental shelf

LU Licheng1，2MA Li1，2
（1 Key Laboratory of Underwater Acoustic Environment，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）（2 Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

The study of acoustic propagation in a continental shelf sloping-bottom ocean environment has received much more attention in the past several decades.Measurements of low frequency acoustic propagation loss using explosive charges as sources were obtained in an experiment over a continental shelf in the sea trial. During the experiment，a single hydrophone was deployed at about 240 m to receive the signal of explosive charges.Two transmissions losses of different tracks across the continental shelf were processed.Modeling of the transmissions using parabolic equation method with a geoacoustic model of the environment which includes the range dependent sound speed profile（SSP）is presented.The model results are in excellent agreement with the measured values over the low frequency band.

Low frequency acoustic propagation，Transmission loss（TL），Continental shelf slope，Geoacoustic model

O427.1

A

1000-310X（2015）03-0220-07

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.03.006

2014-06-27收稿；2014-11-05定稿

鹿力成（1981-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，研究方向：水聲傳播。?

E-mail：luce_1983@sina.com