王 旭 呂俊軍 崔 培

基于Comsol仿真的艦船地震波分析

王 旭 呂俊軍 崔 培

艦船物理場(chǎng)探測(cè)技術(shù)中，艦船航行引發(fā)的地震波信號(hào)可以作為水聲探測(cè)信號(hào)的補(bǔ)充。針對(duì)淺海中聲波傳播方程進(jìn)行推導(dǎo)，可以論證海水海底界面波的存在。艦船地震波的加速度信息在其頻帶中更容易被測(cè)量。通過對(duì)Comsol軟件仿真結(jié)果的分析，研究了不同頻率的艦船地震波加速度信號(hào)在不同介質(zhì)層的水平以及垂向分布特性。

目前，艦船減震降噪技術(shù)日益成熟，噪聲得到了很大抑制。特別是噪聲在淺海傳播過程中，聲波在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)過多次海底海面反射，原本就被抑制到很弱的聲波能量大量透射進(jìn)入海底和海面上方空氣中，在海水中的能量會(huì)迅速衰減；另外，由于聲波在淺海波導(dǎo)中傳播時(shí)存在截止頻率，導(dǎo)致聲源的低頻成分無法在海水中進(jìn)行無衰減傳播。因此，在信號(hào)接收過程中必須要考慮到耦合進(jìn)入海底的這部分能量，即艦船地震波。由艦船引發(fā)的海底地震波信號(hào)可以作為在特殊環(huán)境下水聲信號(hào)的有力補(bǔ)充，以此來更全面地獲得水下聲場(chǎng)信息，并以此分析目標(biāo)特性。

海洋地震波種類及特性

我們知道，海洋環(huán)境下存在著不同的地震波源，海洋地震波主要包括有海底微地震、艦船地震波以及風(fēng)浪海流導(dǎo)致的地震波。不同波源引發(fā)的地震波特性是不相同的，其中海底微地震所引發(fā)的脈沖持續(xù)時(shí)間短、幅值大，頻帶集中在0.1～50Hz；風(fēng)浪海流導(dǎo)致的地震波雖然持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，但隨機(jī)性強(qiáng)、幅值小，頻率基本都在1Hz以下；艦船地震波信號(hào)是艦船輻射噪聲耦合進(jìn)入海底介質(zhì)在海底和海水分界面上的二次傳播，是通過海底切變波效應(yīng)耦合到海底沉積層表面所產(chǎn)生的地震界面波。其最突出的特點(diǎn)是振動(dòng)連續(xù)，沒有確定的初至?xí)r間，并且隨著艦船航行距離的變化而產(chǎn)生弱-強(qiáng)-弱的變化，頻帶主要集中在1～100Hz。圖1為在某漁船航行過程中海底地震儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，受到不同地震波源的共同作用，我們明顯可以觀察到其中1～50Hz的信號(hào)幅值較大。

由以上特性分析可知，若要提高接收艦船地震波的信噪比和分辨率，抑制低頻環(huán)境噪聲干擾和提升1～50Hz艦船地震波的分離提取能力是首要考慮的問題。

界面波分析

在地震波動(dòng)力學(xué)中，兩個(gè)半無限彈性介質(zhì)的分界面上可以形成一種面波，它沿著分界面方向傳播，其振幅在垂直分界面的方向上按指數(shù)規(guī)律隨著離開分界面距離的增加而衰減。這樣的面波稱為斯通利波（Stoneley）波。有資料表明，在海底附近，沿海水層與海底沉積層之間的分界面上存在著這種海底波。這種界面波由P型和SV型兩種振動(dòng)形式合成。

求解坐標(biāo)如圖2所示。

波的位移函數(shù)表達(dá)式：

圖1　實(shí)測(cè)艦船地震波數(shù)據(jù)（時(shí)域，頻域）

圖2　界面波求解坐標(biāo)

將（1）帶入（2）可得：

則方程（3）的解為：

結(jié)合已知的邊界條件，|z|趨近于無窮時(shí)波振幅項(xiàng)為零，則有z＞0時(shí)取第二項(xiàng)，z＜0時(shí)取第一項(xiàng)。假設(shè)為斯通利波傳播速度，為斯通利波波數(shù)。已知的邊界條件為：界面處位移連續(xù)和界面處應(yīng)力

用位移函數(shù)表示位移和應(yīng)力分量，有

經(jīng)過推導(dǎo)得到如下方程組：

方程組有非零解的充分必要條件是方程系數(shù)矩陣的行列式為零，最終可以得到一個(gè)關(guān)于斯通利波的波速的四次方程。由相關(guān)文獻(xiàn)可知，當(dāng)兩種介質(zhì)一種是流體時(shí)，方程組總有合理的解，即得出在海水與海底介質(zhì)界面處的斯通利波總是存在的。由方程可知，斯通利波波速與頻率無關(guān)，即在沿x軸傳播過程中不會(huì)發(fā)生頻散現(xiàn)象，這種特性為艦船地震波的探測(cè)提供了穩(wěn)定的信號(hào)。

探測(cè)傳感器的選擇

艦船地震波信號(hào)主要是艦船輻射噪聲耦合到海底所產(chǎn)生的沿著海底界面?zhèn)鞑サ谋砻娌▽儆诘皖l微弱振動(dòng)，具有一般地震波的特點(diǎn)。但不同于陸地，海底地震波檢測(cè)要更多考慮傳感器與海底介質(zhì)的耦合問題。

由于矢量傳感器技術(shù)日益成熟，目前為止，檢測(cè)艦船地震波信號(hào)經(jīng)常使用矢量速度傳感器和矢量加速度傳感器。矢量速度傳感器是目前檢測(cè)艦船地震波信號(hào)過程中最常用的傳感器，其輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，穩(wěn)定性較好，成本低，性能穩(wěn)定可靠。然而因?yàn)槠渥陨硖匦裕ぷ黝l帶較窄，一般在10～100Hz，對(duì)于10Hz以下的低頻很難分辨。矢量加速度傳感器有著和速度傳感器一樣的優(yōu)點(diǎn)，但與其不同的是，矢量加速度傳感器的帶寬較寬，既能分辨出10Hz以下的低頻信號(hào)，又能兼顧到較高頻段信號(hào)使其不失真。因此，矢量加速度傳感器更加適宜在艦船地震波檢測(cè)中被采用，應(yīng)該得到更多的關(guān)注。本文在仿真過程中也重點(diǎn)關(guān)注了信號(hào)的加速度信息。

仿真結(jié)果及分析

使用Comsol軟件仿真，假設(shè)海水-海底雙層模型，其中水深80m，海底介質(zhì)深度5m。聲源在海面下5m處，輻射聲波選擇球面波。假設(shè)界面處坐標(biāo)z=5m。在不同頻率下，觀察界面之下（3m），界面臨界處（5m），以及界面之上（10m）的加速度分布情況。如圖3，圖4，圖5分別是25Hz，50Hz，75Hz頻率下不同水平截面的響應(yīng)情況以及不同頻率在海域中部加速度垂向的變化情況。

由仿真結(jié)果對(duì)比可知：

（1）在海水海底界面處加速度出現(xiàn)峰值，到海底介質(zhì)中迅速衰減，證明了界面波的存在；

（2）在界面層出現(xiàn)了明顯的加速度信號(hào)分布，理論上可以使用傳感器直接進(jìn)行測(cè)量；

（3）聲波能量與海底耦合效果與頻率相關(guān)，頻率越低，耦合效果越好，信號(hào)能量會(huì)更集中在海水海底界面處。

圖3　25Hz頻率信號(hào)在3m，5m，10m處的加速度分布以及中部加速度垂向變化

圖4　50Hz頻率信號(hào)在3m，5m，10m處的加速度分布以及中部加速度垂向變化

圖5　75Hz頻率信號(hào)在3m，5m，10m處的加速度分布以及中部加速度垂向變化

結(jié)語(yǔ)

本文通過理論論證以及使用Comsol軟件模擬海水海底界面對(duì)聲源的響應(yīng)，證明了艦船引發(fā)地震波的存在，并對(duì)得到的加速度信息進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。結(jié)果顯示，在低頻段，信號(hào)與海底海水界面有著良好的耦合響應(yīng)，這對(duì)今后的實(shí)際測(cè)量的傳感器頻段選擇，以及海底地震儀的布放都有著一定的參考意義。實(shí)際海洋情況要遠(yuǎn)比仿真中雙層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，海底介質(zhì)的多樣性，海水中也存在氣泡、生物以及風(fēng)浪海流的影響。對(duì)于仿真結(jié)果，有待于進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.028