李國富，劉 頡，齊占峰，張 爽，彭家忠，李 琦

(國家海洋技術(shù)中心，天津300112)

0 引 言

在水聲調(diào)查試驗(yàn)中，聲傳播損失測量是一項(xiàng)非常重要的作業(yè)內(nèi)容。目前用于海洋聲傳播損失測量的聲源主要有爆炸聲源和可控聲源兩類。爆炸聲源包括手榴彈、聲彈、氣槍、燈泡等。可控聲源包括拖曳聲源、吊放聲源、潛標(biāo)聲源等。由于爆炸聲源能夠產(chǎn)生寬頻帶的脈沖信號，一次發(fā)聲過程便可獲得幾百乃至幾千赫茲帶寬內(nèi)的傳播損失，因而是當(dāng)前海洋聲學(xué)調(diào)查中最常見的發(fā)射聲源[1]。在測量過程中，按照一定距離間隔投放爆炸聲源，并在設(shè)定深度上起爆，發(fā)出氣泡脈沖，利用事先布放的水聽器陣列接收經(jīng)過海洋聲信道的聲傳播信號，最終通過回放分析接收數(shù)據(jù)，得到聲傳播損失。

在深海中，會聚區(qū)現(xiàn)象是特有的聲傳播特征，更是深海水聲調(diào)查的重要研究內(nèi)容。會聚區(qū)傳播的重要性在于它能夠高強(qiáng)度、低失真地遠(yuǎn)距離傳播聲信號。利用會聚區(qū)效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對水中目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測以及水下裝備的遠(yuǎn)距離通信等[2]。會聚區(qū)距離、寬度、增益等特征的精細(xì)測量在水聲設(shè)備研制和水下對抗等方面具有重大的研究意義。在爆炸聲源的諸多參數(shù)之中，與會聚區(qū)聲傳播損失特征測量的精細(xì)程度最直接相關(guān)的是爆炸聲源的投放間隔，理論上較小的投放間隔可獲得更精細(xì)的會聚區(qū)特征。然而實(shí)際海上作業(yè)的可操作性、成本等因素限制了爆炸聲源的密集投放。過大的投放間隔則可能會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)過于稀疏化而不能完整刻畫聚區(qū)聲傳播損失的結(jié)構(gòu)。對于這一問題，在實(shí)際海上調(diào)查作業(yè)中已有許多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但系統(tǒng)的分析研究還未見報道。本文基于 Argo資料計(jì)算了西太平洋某海域典型深海聲速剖面，并應(yīng)用水聲學(xué)數(shù)值模型結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了爆炸聲源投放間隔對會聚區(qū)聲傳播損失測量的影響，最后結(jié)合實(shí)際海上作業(yè)要求，給出了爆炸聲源投放間隔的設(shè)計(jì)原則。

1 聲傳播損失定義與計(jì)算

聲傳播損失定量地描述了聲波在海洋中傳播一定距離后聲強(qiáng)度的衰減情況，它定義為

式中：I1、Ir分別是距離聲源的聲學(xué)中心1 m處和r處的聲強(qiáng)；對于瞬態(tài)信號以及在傳播中或在遇到目標(biāo)后信號有嚴(yán)重失真的情況，用聲波的能流密度E表示聲傳播損失更有意義，其定義為

其中：p(t)是聲壓；u(t)是質(zhì)點(diǎn)振速。對應(yīng)的聲傳播損失為

其中：E1是位于距離聲源聲學(xué)中心1 m處的聲能流密度，Er是距離聲源聲學(xué)中心r處的聲能流密度。

對于利用水聽器陣列獲取的實(shí)測數(shù)據(jù)，選取從聲源發(fā)出經(jīng)過所有途徑到達(dá)接收點(diǎn)的聲傳播信號離散時間序列，不同距離處的聲傳播損失為[3-4]

式中：f0為中心頻率；r為接收水聽器與爆炸聲源的水平距離；為以f0為中心頻率的單位帶寬內(nèi)的聲能流密度；Mv為水聽器的電壓靈敏度；G為接收系統(tǒng)的放大增益；LS(f0)為聲源級。

2 環(huán)境數(shù)據(jù)來源及聲場計(jì)算方法

本研究所用的Argo資料是由中國Argo實(shí)時資料中心提供的全球海洋 Argo網(wǎng)格數(shù)據(jù)集，時間范圍2004年1月～2017年12月，采樣數(shù)據(jù)主要包括水溫、鹽度和壓力，空間分辨率為 1°×1°，剖面測量范圍 0～2 000 m，垂直層數(shù)58層。該網(wǎng)格數(shù)據(jù)集是中國Argo實(shí)時資料中心在各國Argo資料中心的實(shí)時和部分延時質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，利用逐步訂正法，并結(jié)合混合層模型構(gòu)建完成的全球海洋三維網(wǎng)格溫、鹽度資料集[5]。

本文選取西太平洋130.5°E、20.5°N附近海域，該位置水深大約為5 950 m(根據(jù)ETOPO1數(shù)據(jù))，有較大深度余量，利于產(chǎn)生聲場會聚現(xiàn)象?？紤]到Argo剖面數(shù)據(jù)的最大取樣深度為2 000 m，因此無法提供深海部分的聲速剖面，因而不能直接用于深海聲傳播的計(jì)算。針對這個問題，2 000 m以深部分，假設(shè)溫度、鹽度不變，只是壓力增加，補(bǔ)齊溫度、鹽度剖面數(shù)據(jù)，最后通過Chen&Millero海水聲速經(jīng)驗(yàn)公式獲得全海深的聲速剖面[6-7]。

圖1是利用上述方法計(jì)算得到的西太平洋某海域5月份平均聲速剖面，可見該海域的聲速剖面呈現(xiàn)出典型深海 Munk剖面結(jié)構(gòu)特征[8]。因受到春季溫暖陽光照射，近表層表現(xiàn)為季節(jié)性躍層條件下的負(fù)梯度聲速結(jié)構(gòu)，表面聲速最大值位于海面附近，為1 543 m·s-1。深海內(nèi)部，水溫低且穩(wěn)定，形成深海等溫層，聲速隨海洋深度增加呈現(xiàn)正梯度變化，近海底聲速達(dá)到最大1 559 m·s-1，深度余量達(dá)950 m。位于深海等溫層和主躍變層中間的聲道軸在1 000 m深度，其聲速為1 482 m·s-1。

圖1 西太平洋某海域5月份平均聲速剖面Fig.1 Average sound speed profile in May in a certain area of Western Pacific Ocean

將以上聲速剖面輸入與距離有關(guān)聲學(xué)模型(Range-dependent Acoustic Model, RAM)[9]中，對該區(qū)域的聲傳播損失進(jìn)行計(jì)算。RAM 基于分裂步進(jìn)帕德近似，可允許較大的水平步進(jìn)距離，計(jì)算速度快，對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，特別是在處理大多數(shù)海洋環(huán)境中存在的低頻遠(yuǎn)距離聲傳播衰減問題時比較準(zhǔn)確。聲場計(jì)算過程中的主要參數(shù)設(shè)置如下：聲源頻率f為200、800 Hz，聲源深度DS為50、100、300 m，接收深度DR為300 m，爆炸聲源投放間隔d為0.5、1、2 km，海底深度H為 5 950 m，海底聲速cb為1 600 m·s-1，海底密度ρb為1.5 g·cm-3，海底衰減系數(shù)αb為 0.5 dB·λ-1。

3 結(jié)果與分析

3.1 聲源深度50 m時的聲傳播損失

圖2(a)和2(b)分別給出了聲源深度為50 m、聲源頻率f為200、800 Hz時的全海深聲場。由圖2可見，由于近海面的負(fù)梯度聲速結(jié)構(gòu)和較大的深度余量，除海底反射能量之外，一部分聲波在水中反轉(zhuǎn)形成會聚區(qū)聲場。在水平距離小于140 km范圍內(nèi)，具有兩個明顯的深海會聚區(qū)：第一會聚區(qū)的中心距離在62.5 km左右，第二會聚區(qū)的中心距離在125 km左右。圖2(a)中，當(dāng)聲源頻率f=200 Hz時，小角度反轉(zhuǎn)聲線的干涉使得第一、第二會聚區(qū)的左側(cè)分支分為兩個聲束。圖2(b)中，當(dāng)聲源頻率f=800 Hz時，第一會聚區(qū)左右兩側(cè)分支因不同反轉(zhuǎn)聲線之間的干涉形成多個間隔較近的聲束，而第二會聚區(qū)左右兩側(cè)分支不同聲束之間的間隔則稍遠(yuǎn)。

圖2 聲源位于50 m深度時的聲場Fig.2 Acoustic fields of a sound source at the depth of 50 m

圖3 不同爆炸聲源投放間隔下的聲傳播損失(DS=50 m，DR=300 m)Fig.3 Transmission losses for different release intervals of the explosive sound source at the depth of 50 m， and the receiver is at the depth of 300 m

為比較爆炸聲源投放間隔對聲傳播損失測量的具體影響，圖3給出了聲源深度DS=50 m，接收深度DR=300 m時，投放間隔d=0.5、1、2 km 3種情況下的聲傳播損失。圖3中，第一會聚區(qū)與聲源的距離為 58～67 km，第二會聚區(qū)的范圍在 120～131 km，會聚區(qū)寬度僅為10 km左右。由圖3(a)中可見，當(dāng)聲源頻率f=200 Hz時，3種投放間隔下的聲傳播損失曲線都能夠刻畫出對應(yīng)于第一、第二會聚區(qū)左右兩側(cè)分支的“雙峰”特征，但是只有投放間隔d=0.5 km能夠測量到第一會聚區(qū)左側(cè)分支的兩個峰值結(jié)構(gòu)。當(dāng)聲源頻率f=800 Hz時，如圖3(b)所示，投放間隔d=0.5 km和d=1 km均能捕捉到對應(yīng)于第一會聚區(qū)左右分支的“雙峰”特征，而當(dāng)投放間隔d=2 km時測量到的對應(yīng)于右側(cè)分支的第二個峰值不明顯。對于圖3(a)和3(b)中的第二會聚區(qū)，當(dāng)投放間隔d=0.5 km時，可清晰地看出在對應(yīng)左右兩側(cè)分支的“雙峰”結(jié)構(gòu)上存在著許多細(xì)小的峰值。隨著投放間隔的繼續(xù)增大，除測得的會聚區(qū)位置、寬度基本一致之外，這些細(xì)小峰值的精細(xì)程度明顯依次下降。

3.2 聲源深度100 m時的聲傳播損失

圖4為聲源深度DS=100 m，聲源頻率f為200 、800 Hz下的全海深聲場。與圖2的聲場結(jié)構(gòu)相似，圖 4中的聲場結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出明顯的深海會聚區(qū)特征，第一會聚區(qū)的中心距離約在62 km處，第二會聚區(qū)的中心距離約在 124 km處。與聲源深度DS=50 m時聲場的不同之處在于：隨著聲源深度的增大，聲源深度處的聲速值減小，更多小掠射角出射的聲線在水中反轉(zhuǎn)并在會聚區(qū)位置干涉，導(dǎo)致會聚區(qū)寬度增大。特別地，當(dāng)聲源頻率f=200 Hz時，與圖2(a)相比，第二會聚區(qū)的左側(cè)分支形成更多的離散聲束。

圖4 聲源位于100 m深度的聲場Fig.4 Acoustic fields of a sound source at the depth of 100 m

圖5 不同爆炸聲源投放間隔下的聲傳播損失(DS=100 m，DR=300 m)Fig.5 Transmission losses for different release intervals of the explosive sound source at the depth of 100 m， and the receiver is at the depth of 300 m

圖5比較了聲源深度DS=100 m，接收深度DR=300 m時，投放間隔d=0.5、1、2 km 3種情況下的聲傳播損失。圖5中，第一會聚區(qū)距離的變化范圍在 56～68 km，第二會聚區(qū)離聲源的水平距離在116～130 km。由圖5(a)可見，當(dāng)聲源頻率f=200 Hz時，投放間隔d=0.5 km能夠測量到與第一會聚區(qū)左側(cè)分支離散聲束相對應(yīng)的多個峰值結(jié)構(gòu)，投放間隔d=1 km和2 km僅能刻畫出第一會聚區(qū)左側(cè)分支中最明顯的兩個峰值，投放間隔d=2 km獲得的第一會聚區(qū)右側(cè)分支峰值的增益明顯變低，增益衰減值達(dá)7.5 dB。在第二會聚區(qū)，d=0.5 km投放間隔可以捕捉到許多細(xì)小的峰值結(jié)構(gòu)，而d=1 km和d=2 km投放間隔僅能測量到 3個主要的峰值。當(dāng)聲源頻率f=800 Hz時，如圖5(b)所示，投放間隔d=0.5 km和d=1 km能刻畫出第一、第二會聚區(qū)3個主要的峰值結(jié)構(gòu)，而投放間隔d=2 km時則只能測到一兩個峰值。

3.2 聲源深度300 m時的聲傳播損失

圖6為聲源深度DS=300 m，聲源頻率f=200、800 Hz下的全海深聲場。與圖2、圖4所示聲源深度DS=50 m和DS=100 m時的會聚區(qū)聲場相比，具有明顯不同的特征：首先會聚區(qū)距離顯著縮短，第一會聚區(qū)的中心距離在58 km左右，第二會聚區(qū)的中心距離在 117 km左右；其次隨著聲源深度繼續(xù)增大，在負(fù)梯度聲速條件下，聲源深度處的聲速值減小，更大角度的聲線得以在水中反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致會聚區(qū)左右兩側(cè)分支在近海面附近重疊在一起，會聚區(qū)的寬度大幅度展寬。

圖6 聲源位于300 m深度的聲場Fig.6 Acoustic fields of a sound source at the depth of 300 m

圖7 不同爆炸聲源投放間隔下的聲傳播損失(DS=300 m，DR=300 m)Fig.7 Transmission losses for different release intervals of the explosive sound source at the depth of 300 m， and the receiver is at the depth of 300 m

圖7為DS=300 m，DR=300 m時，投放間隔d=0.5、1、2 km 3種情況下的聲傳播損失。圖7中，第一、第二會聚區(qū)的寬度分別達(dá)到 17、20 km。與圖3、圖5相似，隨著投放間隔的增大，所獲得的會聚區(qū)峰值結(jié)構(gòu)越來越粗糙。但同時應(yīng)注意到，聲源處于較大的深度時，3種投放間隔所測得的會聚區(qū)位置、寬度、增益基本相同。

最后，為進(jìn)一步分析投放間隔對會聚區(qū)聲傳播損失測量的實(shí)際影響，對某次聲傳播損失調(diào)查獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，如圖 8所示。聲源深度DS=200 m，接收深度DR=300 m。從圖8(a)可以看到，當(dāng)聲源頻率f=200 Hz時，聲源投放間隔d=1 km 和d=2 km所刻畫的 60 km附近的第一會聚區(qū)聲傳播損失結(jié)構(gòu)，除峰值增益略有差別之外，總體上基本一致，但 120 km附近第二會聚區(qū)的雙峰結(jié)構(gòu)有明顯不同，兩種投放間隔下雙峰之間的低谷深度差異約2 dB。另外，從圖8(b)可以看出，在這次實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)聲源頻率f=800 Hz時，聲源投放間隔d=1 km和d=2 km所獲取的聲傳播損失曲線結(jié)構(gòu)基本相同。

圖8 不同投放間隔下的聲傳播損失實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(DS=200 m，DR=300 m)Fig.8 The measured transmission losses for different release intervals of the explosive sound source at the depth of 300 m and the receiver is at the depth of 300 m

4 結(jié) 論

本文基于2004～2017年的Argo浮標(biāo)資料，選取西太平洋某海域典型深海聲速剖面，利用 RAM計(jì)算了不同聲源深度和頻率下的聲場，并結(jié)合某次聲傳播損失實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了3種爆炸聲源投放間隔下獲得的會聚區(qū)聲傳播損失，得到如下結(jié)論：(1)不同的聲源深度和頻率時，3種投放間隔測量到的會聚區(qū)位置、寬度基本一致，而會聚區(qū)增益受投放間隔的影響較大。(2) 投放間隔d=0.5 km能很好地刻畫出會聚區(qū)聲場結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征；投放間隔d=1 km基本滿足對會聚區(qū)聲傳播損失精細(xì)測量的要求；投放間隔d=2 km能測量到會聚區(qū)的大致結(jié)構(gòu)，但精細(xì)程度不足，可能會對會聚區(qū)峰值結(jié)構(gòu)漏測或獲得不精確的會聚區(qū)增益。(3) 當(dāng)聲源深度較深時，較大的投放間隔(d=2 km)也可獲得較好的會聚區(qū)增益和聲傳播損失峰值結(jié)構(gòu)。

基于以上結(jié)論，采用d=0.5 km甚至更小的投放間隔對于會聚區(qū)結(jié)構(gòu)的精細(xì)測量最為有利。但鑒于實(shí)際海上作業(yè)經(jīng)費(fèi)、船時、操作方便程度、聲源延爆時間等因素的限制，在聲傳播測線上全程使用d=0.5 km投放間隔的可行性不高。同時考慮到投放間隔d= 1 km可以基本滿足會聚區(qū)精細(xì)測量的要求，因此建議爆炸聲源投放間隔采用如下設(shè)計(jì)方案：對深海會聚區(qū)聲傳播損失開展精細(xì)測量時，在已有海洋環(huán)境或聲學(xué)數(shù)據(jù)的情況下，對會聚區(qū)距離和寬度的大致范圍進(jìn)行預(yù)先估計(jì)，采用會聚區(qū)d=0.5 km投放間隔、影區(qū)d=1 km投放間隔的會聚區(qū)加密投放方式；在未知海域采用全測線d=1 km的投放間隔，兼顧會聚區(qū)空間采樣間隔和實(shí)際調(diào)查條件。而對于以了解會聚區(qū)大致結(jié)構(gòu)為目標(biāo)的一般聲傳播損失調(diào)查，特別是當(dāng)聲源深度較大時，可以采用全測線d=2 km的投放間隔獲得會聚區(qū)位置、寬度、增益等參數(shù)的基本情況。