強偉, 李寧, 黃孝龍, 康楊, 李燦, 翁春生

(南京理工大學 瞬態(tài)物理國家重點實驗室, 江蘇 南京 210094)

0 引言

雖然水和空氣中的聲速和密度差異大,二者聲阻抗形成鮮明對比,聲波透射系數(shù)為空氣和水的聲阻抗之比,約為10-4量級[1-3]。但隨著研究的深入,Godin[4]發(fā)現(xiàn)當聲源深度足夠小或聲波頻率足夠低時,水下聲波透射水-空氣界面的能力會顯著增強。然而,顯著增強的聲波透射特性與聲源深度和聲波頻率存在密切關系。聲波異常透射能力為研究水-空氣界面信息傳輸提供了新思路,在跨介質信息傳遞研究中具有重要指導意義。

關于水下聲波異常透射現(xiàn)象直到21世紀初才引起重視,目前理論研究方面主要集中于應用平面波積分方法分析水下單極子點聲源透射水-空氣界面過程。Godin[4-7]通過采用聲功率通量密度積分方法從理論上系統(tǒng)研究了非均勻波作用下聲波在水-空氣界面的透射能力;Liu等[8]利用射線理論模型等評估水-空氣界面的聲學透明度,證明非均勻波作用的波動理論所推導的透明度會異常增大;Parviz等[9]基于COMSOL Multiphysics軟件求解水-空氣兩相介質耦合的Helmholtz波動方程,證明聲波從水下至空氣中的傳播能力增強是由于非均勻波的影響。隨后,McDonald等[10]采用瑞利反射系數(shù)與透射系數(shù)合成的聲能流密度矢量推導了低頻聲波從水到空氣的聲功率表達式,得到當聲源深度小于聲波波長的0.015倍時,非均勻波成分能夠與界面相互作用并在空氣中激發(fā)振蕩波,輻射到空氣中的功率增加,大部分聲能量能進入空氣中;陶智等[11]使用波動方法對異常聲透射問題進行數(shù)值仿真研究,分析了非均勻波存在與否時水下聲波透射到空氣中的能量差異,結果表明非均勻波作用時透射能量增加了十幾分貝。

目前研究結果可以證明,水下聲波透射水-空氣界面的過程中,異常增大的透射能力是由于非均勻波作用的貢獻,但非均勻波作用與聲源位置和聲源特性參數(shù)密切相關。針對異常透射特性,Glushkov等[12]對球形源尺寸影響進行了建模仿真,發(fā)現(xiàn)當聲源深度相對于聲波波長較小時,聲源尺寸影響可忽略。Woods等[13]對非均勻波在透射臨界角以外傳輸能量進行理論研究,得出入射波的頻率和角度對非均勻波透射角度存在影響。

在此基礎上水下聲波異常透射實驗研究陸續(xù)展開。Voloshchenko等[14-16]不僅使用數(shù)學模型計算了水下聲波通過水-空氣界面的壓力傳遞系數(shù),還通過水箱實驗驗證了非均勻波的存在;鄧怡情等[17]和Deng等[18]通過實驗發(fā)現(xiàn)當聲源深度較小時,低頻聲源運動速度越大,則透射入空氣中的聲能量越多,證明了低頻聲源運動使得非均勻波比重增加,透射能力得到增強;Calvo等[19]進行了非均勻波作用下聲波透射系數(shù)增強的實驗室測試研究,通過實驗與計算方法相結合證實了在聲源深度和聲波波長比值較小時透射聲壓明顯得到增強。非均勻波作用增強了淺聲源透射水-空氣界面的能力,這點也在Gillot等[20]關于液滴激勵的水下聲信號透射到空氣中的研究中得到了很好的驗證,相關實驗中液滴被視為深度極淺的水下聲源,而當氣泡[21]被視為淺聲源時,也適用該理論;Wehner等[22]通過對空氣中所測的水下氣槍聲信號進行帶通濾波,發(fā)現(xiàn)頻率越低所能接收到的聲能越高,與文獻[19]的理論結果符合較好。

綜上所述可知,水下聲波透射水-空氣界面的異常特性與聲波頻率和聲源深度密切相關,但是以上實驗都是基于有限尺寸的水箱,未曾在開闊水域等真實環(huán)境中對聲波異常透射理論進行論證。Bolghasi等[23]、郭業(yè)才等[24]針對真實海面的聲透射進行建模研究,分析了各類因素對聲透射的影響程度,但未進行實驗研究,并且未考慮異常聲透射的影響。

基于以上分析,本文開展針對水下聲波異常透射理論和實驗研究,深入分析近水面水下點聲源輻射的球面波穿透水-空氣界面時引起的非均勻平面波問題。一方面從理論上分析了非均勻波與均勻波在透射過程中的能量分布情況,另一方面在水箱中開展實驗進行驗證。為了驗證異常聲透射機制在真實水域環(huán)境下的實際作用效果,在千島湖開闊水域搭建透射實驗平臺開展湖試研究,分析聲源深度和聲波頻率對聲波透射系數(shù)的影響。通過理論與實驗相結合的方法,得出在真實環(huán)境下異常透射的實驗結果。本文研究對水下聲波跨介質傳播研究具有科學意義,可指導后續(xù)水下聲波跨介質傳播的相關工程化研究和應用模式探索。

1 異常聲透射過程分析

1.1 理論分析

聲透射問題常采用基于射線理論的簡化模型進行研究,導致對于非均勻波存在的一些特殊情況被忽略,從而給研究結果帶來了較大誤差。當非均勻波作用不可忽略時,簡單的射線理論模型不再適用,需要建立新的模型進行分析。假設水下點聲源的聲波是以球面波方式向外傳播,根據聲波在水-空氣界面處的異常傳播機制,聲波異常透射水-空氣界面?zhèn)鞑ト鐖D1所示。

圖1 水-空氣界面處聲波傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of acoustic wave propagation at the water-air interface

圖1中:點S表示發(fā)射源,點M表示接收端,L為接收端與發(fā)射源的水平距離,H為接收端距水面的高度,z為發(fā)射源深度,R表示H2與M點之間的距離;SH1M代表射線理論模型下的聲透射路徑,SH2M代表非均勻聲波傳播的路徑,H1和H2分別代表兩條路徑與水-空氣界面的交點,其中水下聲波在SH2段為非均勻波,透射到空氣中后在H2M段為均勻波;α為聲源輻射角度,β為非均勻波入射角,θ為聲波掠射角,βa與θa表示不同路徑透射聲波與界面的夾角。具有實值波矢量的平面波稱為均勻波;具有復值波矢量的波被稱為非均勻波,非均勻波的振幅沿著波前不是均勻的[25],且具有傳播速度小于均勻聲波的特點。因此M點的聲壓pt[16]由兩部分組成:

pt=pSH1M+pSH2M

(1)

(2)

(3)

參考聲壓定義為

(4)

根據式(1)和式(4),可定義聲壓透射系數(shù)為

(5)

1.2 異常透射變化規(guī)律

根據1.1節(jié)推導得到聲壓透射系數(shù)表達式,分別對pSH1M、pSH2M和透射系數(shù)Ap進行分析。根據式(2)和式(3)可知,聲壓變化均以kz進行衡量,不同路徑上的均勻波與非均勻波聲壓與聲源深度和聲波頻率的乘積息息相關。為與國內外學者研究方法保持統(tǒng)一[14],因此本文中也采用kz為變量探索異常透射變化規(guī)律。

基于L=0.5 m、H=0.1 m、z=0.05 m、f表示聲波頻率為1～20 kHz的計算條件,得到透射系數(shù)等參量隨聲波頻率的變化情況,如圖2(a)所示。圖2(a)中由SH1M路徑傳播的均勻波聲壓pSH1M隨頻率增大穩(wěn)定增大,且pSH2M聲壓變化表達式與式(4)中參考聲壓表達式中指數(shù)項相同,因此均勻波聲壓與參考聲壓增大趨勢保持一致。非均勻波聲壓pSH2M在頻率較低時幅值較大且隨頻率增大呈指數(shù)衰減。

圖2 pSH1M、pSH2M與Ap隨kz的變化情況Fig.2 Variation of pSH1M, pSH2M and Ap with kz

根據均勻波聲壓pSH1M與非均勻波聲壓pSH2M在不同kz位置處的相對變化情況,將透射系數(shù)Ap變化曲線劃分為典型的3個區(qū)間,分別用s2、s12和s1表示。第1個區(qū)間內聲波頻率較低時,pSH2M與pSH1M幅值相差巨大,此時SH2M路徑傳播的非均勻波聲壓占據絕對優(yōu)勢,導致透射系數(shù)曲線在kz小于1時呈現(xiàn)線性減小趨勢,如圖2(a)中s2區(qū)間,稱之為非均勻波段;第2個區(qū)間,當kz介于1和2之間時,非均勻波聲壓衰減至與均勻波聲壓量級相當,此時由于二者存在相位差異,疊加之后總聲壓幅值出現(xiàn)明顯起伏變化,透射系數(shù)曲線在此階段出現(xiàn)明顯起伏,對應圖2(a)中s12區(qū)間,稱之為非均勻波向均勻波的過渡段;第3個區(qū)間內聲波頻率較高,pSH2M趨于0 Pa,此時非均勻波作用可忽略,透射系數(shù)只由pSH1M決定,幅值不變,對應圖2(a)中s1區(qū)間,稱之為均勻波段。由圖2(a)可見,在聲波頻率變化工況下,透射系數(shù)曲線表現(xiàn)為先隨kz快速減小,隨后出現(xiàn)明顯起伏振蕩,最后保持穩(wěn)定。

圖2(b)中計算條件為L=0.5 m、H=0.1 m、頻率f=2 kHz、z為0.01～0.50 m。當各參數(shù)僅受聲源深度變化影響時,均勻波聲壓pSH1M隨深度增加幅值變化較小,且同樣與參考聲壓變化規(guī)律保持一致,SH2M路徑傳播的非均勻波聲壓pSH2M呈指數(shù)衰減。因此,在深度變化工況下,圖2(b)中透射系數(shù)隨kz變化規(guī)律與圖2(a)中基本保持一致,也存在上述3個典型區(qū)間。但不同的是,在kz介于1和2的過渡段內,透射系數(shù)在此區(qū)間內并不存在明顯起伏變化。

2 異常聲透射信號分析

2.1 實驗裝置

為探究水下聲波異常透射特性,在實驗室搭建了水下聲波透射實驗系統(tǒng),如圖3所示。實驗系統(tǒng)由水箱、水聲發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。

水箱采用不銹鋼焊接而成,其尺寸為1.0 m×1.5 m×1.0 m。水箱內壁面及底部均粘貼吸音材料,減小水中聲波的壁面反射。

水聲發(fā)射系統(tǒng)由發(fā)射源、MA-050功率放大器(飛逸科技有限公司生產)和脈沖信號發(fā)射模塊組成。實驗中研究聲波波段為2～10 kHz,因此選用直徑為0.01 m的球型發(fā)射源,聲源級148 dB。脈沖信號發(fā)射模塊將單頻正弦驅動信號傳輸至功率放大器,進而驅動發(fā)射源向外發(fā)射單頻信號。

圖3 聲波透射實驗系統(tǒng)裝置和布局示意圖Fig.3 Schematic diagram of equipment and layout of acoustic wave transmission experiment system

接收系統(tǒng)由水聽器、聲傳感器、信號放大器和數(shù)據采集模塊組成。水下聲信號測量采用位于水下與發(fā)射源水平距離0.02 m的英國Bruel&Kjaer公司生產的8105型水聽器,測量靈敏度為-205 dB re 1 V/μPa,測量頻率范圍0.1 Hz～160 kHz;空氣中聲信號測量采用位于水面的美國PCB公司產378B11麥克風,測量靈敏度為-26 dB re 1 V/Pa,測量頻率范圍3.75 Hz～10 kHz。二者均可對所研究波段聲信號進行準確測量,所采用的信號放大器分別為英國Bruel&Kjaer公司生產的2690-A Series信號放大器和美國PCB公司產 482C05調理儀。數(shù)據采集模塊為美國NI公司產PXIe-1062Q,采樣率為5×105S/s,滿足聲信號測量記錄需求。發(fā)射源發(fā)射的聲信號分別經水聽器和測量麥克風接收后轉為電信號,而后通過信號放大器被數(shù)據采集模塊記錄,二者分別表示圖1中的聲源聲壓和M點處聲壓,以此推算參考聲壓。

控制系統(tǒng)則由信號發(fā)生器(RIGOL DG4072,普源精電科技股份有限公司生產)和同步控制模塊組成。信號發(fā)生器輸出方波信號,以方波上升沿觸發(fā)同步控制模塊使水聲發(fā)射系統(tǒng)和數(shù)據采集系統(tǒng)同步工作。

實驗中固定發(fā)射源與接收端的位置,測量計算相關高度與角度,通過美國PCB公司產G.R.A.S.42AB聲音標定器對麥克風進行標定。測試時設定發(fā)射源工作頻率,利用信號發(fā)生器同步觸發(fā)發(fā)射源控制模塊與信號采集模塊,由麥克風完整測量記錄由水下發(fā)射源經由非均勻聲波傳播路徑和均勻聲波傳播路徑到達的聲壓信號。為增加測量信噪比,實驗中對200次測量結果進行平均以降低噪聲影響,測量結果通過小波分析等信號處理方法進行進一步分析。

2.2 透射聲波在不同路徑上的能量貢獻分析

根據圖3中闡述的室內實驗中,由發(fā)射源發(fā)射固定周期正弦信號,在空氣中M點接收聲波信號,其不同頻率下接收到的波形結果如圖4所示,縱坐標p表示實驗所測聲壓。實驗結果顯示,不同聲源頻率下M點均接收到兩組正弦信號,且幅值具有明顯差異。圖4(b)中SH1M表示由SH1M路徑的透射聲波,SH2M表示由SH2M路徑的透射聲波,在當前實驗工況下二者到達時間相差1 ms左右。隨著頻率逐漸增大,相同發(fā)聲周期內聲波持續(xù)時間減小,兩組信號逐漸分離。

圖4 不同頻率下信號隨時間的變化情況Fig.4 Pressure-time characteristics of signals at different frequencies

為研究不同路徑上由于頻率變化引起的聲波幅值差異,對接收的信號進行小波分析,得到圖5中不同頻率下的聲波信號時間-頻率分布。當聲波頻率從2 kHz增大至10 kHz時,SH1M路徑傳播的均勻波信號幅值相對SH2M路徑的非均勻波幅值越來越強,在頻率為10 kHz時非均勻波信號基本可忽略。根據實驗工況,當頻率為2 kHz聲源特性參數(shù)kz等于0.43,處于非均勻波段,因此非均勻波占主導地位,理論值與實驗值相吻合。

圖5 聲壓信號的時頻分析Fig.5 Time-frequency analysis of sound pressure signals

根據圖5中的信號特點,為獲取非均勻波信號在總聲波信號中隨頻率變化的規(guī)律,對SH2M路徑傳播能量占總能量的比值進行理論分析。當聲源深度和接收端位置固定時,掠射角θ和透射角β1即已知,可令

(6)

由式(6)可知a、a1均為定值,根據式(2)和式(3)可以發(fā)現(xiàn)pSH1M隨相位變化其模不變,pSH2M隨頻率增大呈指數(shù)衰減。因此,由SH2M路徑傳播的聲能量占總能量比值可表示為

(7)

圖6 非均勻波信號能量占總能量的比值Fig.6 Ratio of inhomogeneous wave energy to total energy

3 異常聲透射影響因素分析

3.1 湖試實驗系統(tǒng)

通過對水下聲波異常透射特性理論進行研究,結合實驗室環(huán)境中水下聲波異常透射實驗測試結果,掌握了SH1M路徑和SH2M路徑聲波的傳播特點以及聲源深度和聲波頻率對透射系數(shù)的影響規(guī)律。為使研究結果具有實際應用價值,掌握真實外場環(huán)境下聲波透射特性,在千島湖實驗站開闊水域搭建了聲波透射實驗系統(tǒng),如圖7所示。實驗測試區(qū)域內水深約60 m,水溫12 ℃,氣溫9 ℃,風速2 m/s,麥克風置于實驗平臺內側,受風速影響較小。

圖7 湖試實驗系統(tǒng)布局Fig.7 Layout of the lake experiment system

實驗設備和測試系統(tǒng)與圖3中實驗測試系統(tǒng)基本相同。與室內實驗不同的是,為提高信噪比,使得輸出信號強度大幅度提高,聲源采用科瀚茲電子科技有限公司生產的UWS-015A水下?lián)P聲器,尺寸為直徑0.15 m、高度0.025 m的圓盤形,聲源級為180 dB。聲源深度由0.3 m至9.0 m變化,不考慮水下聲速剖面的影響。聲波頻率則從100 Hz逐漸增大,研究聲源深度范圍更大、聲波頻率更低。水聽器位于揚聲器正上方0.1 m處,用于測量聲源聲壓,隨后通過式(4)推算出參考聲壓;麥克風位于水面上方0.1 m處,接收透射聲壓。除驗證湖試條件下水下異常聲透射實驗結果,還通過水平移動麥克風位置,探究在不同聲源輻射方向上的聲壓透射特性。

3.2 聲源深度對透射系數(shù)的影響

首先分析聲源深度對透射系數(shù)變化的影響。選擇聲波頻率為100 Hz、300 Hz、500 Hz、700 Hz的4組典型工況,通過改變聲源深度以探究kz變化對透射系數(shù)Ap的影響。其中,聲源深度從0.3 m增大至9 m,接收端位于水面上方0.1 m處,水平距離聲源0.5 m,測試結果如圖8所示。

圖8 不同頻率下聲源深度對聲波透射系數(shù)Ap的影響(z為0.3～9.0 m)Fig.8 Effects of source depth on sound wave transmission coefficient Ap at different frequencies (z=0.3-9 m)

湖試獲得的透射系數(shù)衰減變化規(guī)律與理論分析一致,當非均勻波作用不可忽略時,即kz小于1時,透射系數(shù)明顯較大;隨聲源深度的增加,同一頻率下kz值逐漸增大,透射系數(shù)衰減迅速,在kz達到2時迅速衰減至穩(wěn)定值。以聲波頻率100 Hz為例,kz由0.13變化至3.90時,透射系數(shù)實驗值由-63 dB衰減至-80 dB,并最終穩(wěn)定在-80 dB左右;而透射系數(shù)理論值則由-27 dB衰減至-78 dB,最終穩(wěn)定在-80 dB左右。透射系數(shù)理論值與實驗值在幅值上有所差異,分析其原因,在理論值計算中,沒有考慮湖面隨機波動、風驅動的表面粗糙度增加以及液面翻卷形成表面氣泡層等對聲波傳輸?shù)纳⑸湮债a生的損耗,減小了空氣中接收的聲壓,使得實驗值圍繞理論值上下波動,并略小于理論值。由于Liu等[26]開展了隨機波動水面對傳輸損耗的仿真分析,本實驗結果與其理論結果基本一致。

雖然透射系數(shù)理論值與實驗值在幅值上存在差異,但是二者隨聲源深度變化的衰減規(guī)律是相同的,即kz小于1時明顯較大,隨后迅速衰減至穩(wěn)定值,聲源深度增加會使非均勻波作用區(qū)間的聲波頻率上限減小。

3.3 聲波頻率對透射系數(shù)的影響

通過改變聲波頻率得到透射系數(shù)Ap隨聲波頻率變化的相關規(guī)律(見圖9)。選擇聲源深度為0.1 m、0.3 m、0.5 m的3組典型工況,接收端高度為0.3 m,水平距離聲源為1.5 m,分析聲波頻率由100 Hz增加至4 000 Hz時(對應kz由0.04增加至8.67時)透射系數(shù)Ap的變化情況。

圖9中藍色曲線表示聲源深度0.5 m時聲源頻率由100 Hz增加至4 000 Hz時的透射系數(shù)理論計算與實驗測量結果。當kz小于1時,非均勻波作用占據主導位置時,透射系數(shù)較大且隨kz增大(即隨頻率增大)近似線性減小。在非均勻波與均勻波持平的過渡段,曲線出現(xiàn)了明顯起伏變化,這與2.2節(jié)中理論分析結果一致。當非均勻波作用可忽略時,透射系數(shù)幾乎不隨頻率增大而變化。實驗結果與理論結果變化規(guī)律一致,同樣在幅值上有所差異,實驗值圍繞理論值上下波動并略小于理論值,與3.2節(jié)所得結果吻合,二者隨頻率變化的規(guī)律完全一致,結果表明真實湖試環(huán)境條件下異常透射機制仍然成立。

圖9中不同聲源深度條件下透射系數(shù)變化曲線變化規(guī)律保持良好的一致性,表明不同深度下隨頻率變化的透射系數(shù)曲線在實驗測試結果中雖出現(xiàn)略微差別,但是其變化規(guī)律相同,異常透射機制穩(wěn)定存在。

圖9 不同深度下聲波頻率對透射系數(shù)Ap的影響Fig.9 Effects of sound wave frequency on the transmission coefficient Ap at different source depths

3.4 透射系數(shù)在輻射角度上的變化規(guī)律

控制接收端距離水面0.1 m,選擇0.6 m、1.0 m、2.0 m 3組典型的聲源深度,通過水平移動接收端M的位置,改變聲源輻射角度α的大小,得到透射系數(shù)Ap在不同輻射角度上隨聲波頻率的變化規(guī)律。針對圖2中3個不同區(qū)間,分別在非均勻波段、過渡段和均勻波段選擇一組典型kz值,在不同聲源深度工況下進行透射系數(shù)隨輻射角度的變化規(guī)律分析,測量結果如圖10所示。

圖10 不同聲源深度下透射系數(shù)在輻射角度上的變化規(guī)律Fig.10 Variation law of transmission coefficients from different angles with typical source depths

為更加直觀地表述透射系數(shù)理論值和實驗值在輻射角度上的差異,以透射角度0°為基準進行歸一化處理。圖10(a)為聲源深度0.6 m時,透射系數(shù)實驗值和理論值的相對變化規(guī)律?？傮w而言,針對3個區(qū)間內典型kz值的實驗與理論透射系數(shù)相對變化規(guī)律具有良好的一致性,均隨輻射角度的增大逐漸減小。但是,不同kz值下透射系數(shù)隨輻射角度的變化有所差別。具體來看,如圖10(b)所示,當kz為6.24時,輻射角度從0°增加至28.8°時透射系數(shù)衰減約6 dB。當kz為0.52 時,非均勻波占主導作用,輻射角度從0°增大到65.6°時透射系數(shù)僅衰減約3 dB,衰減較慢,表明非均勻波作用有助于增大水下聲波透射水-空氣界面的角度。

聲源深度分別為1 m和2 m時,不同區(qū)間內透射系數(shù)實驗值隨輻射角度變化曲線如圖10(c)和圖10(d)所示。可見聲源深度雖然不同,但是隨著kz增大,透射系數(shù)相對于0°衰減6 dB時對應角度明顯減小,與圖10(b)變化規(guī)律保持一致。

值得注意的是,通過觀察圖10(b)、圖10(c)和圖10(d)可以看出,盡管當kz小于1時非均勻波占據主導作用,水下聲波在較大輻射角上均保持較強的透射能力,但是隨著深度從0.6 m增加至2.0 m,對應輻射角度逐漸減小。該數(shù)據表明盡管非均勻波占主導作用時能增大水下聲波在一定輻射角上的透射能力,但隨著聲源深度的增加該角度范圍明顯減小,因此實際應用時需對多個因素進行綜合考慮。

4 結論

為研究水下聲波透射水-空氣界面的異常特性,本文基于聲波異常透射理論詳細分析了均勻波與非均勻波傳播特性,研究了聲源深度和聲波頻率對聲波透射系數(shù)的影響,以及透射系數(shù)隨聲源輻射角度的變化規(guī)律。得出以下主要結論:

1)根據透射系數(shù)Ap隨kz的變化規(guī)律可將非均勻波作用范圍劃分為3個區(qū)間,非均勻波信號幅值隨kz增大指數(shù)減小且僅在kz小于1時起重要作用,此時非均勻聲波傳播路徑的聲能量占據主要部分;在kz介于1和2之間時非均勻波與均勻波作用下聲波幅值相當。

2)當聲波頻率不變時,透射系數(shù)Ap隨著聲源深度增加先迅速減小而后保持細微的下降趨勢;當聲源深度不變時,透射系數(shù)Ap隨著聲波頻率增加先迅速減小,而后出現(xiàn)起伏變化最后趨于穩(wěn)定。起伏變化原因在于非均勻波聲壓衰減至與均勻波聲壓量級相當,由于二者存在相位差異,疊加之后總聲壓幅值出現(xiàn)明顯起伏變化。

3)對于同一聲源深度條件下,隨著kz值由非均勻區(qū)增加至均勻區(qū),透射系數(shù)相對于0°衰減6 dB時所對應的角度明顯減小,且在非均勻區(qū)內該角度明顯大于透射臨界角。表明非均勻波作用是低頻聲源打破透射臨界角限制的主要因素,且kz越小透射能力越強。但隨著聲源深度的增加,該角度范圍明顯減小。

本文一方面對水下聲波異常聲透射理論與聲波異常聲透射不同傳播路徑能量進行研究,同時在實驗室理想環(huán)境下對水下聲波異常透射特性進行實驗驗證。深入分析了聲源深度和聲波頻率對透射系數(shù)幅值變化的影響規(guī)律,以及不同角度下水下聲波透射能力,著重討論了非均勻波作用下水下聲波異常聲透射信號特征及千島湖開闊水域環(huán)境下實際水下聲波異常透射能力。研究結果可補充水下聲波異常透射理論,推動水下聲波異常透射相關實驗研究,為聲信號跨介質傳播和信息傳遞應用提供數(shù)據支撐。