海底地声参数对浅海低频声传播的影响

海底地声参数对浅海低频声传播的影响

颜 冰 龚沈光 周 伟
海军工程大学兵器工程系 武汉 430033

用分层介质中点声源激发声场的积分表示法得到海水中声源外任意一点的声场表达式，用波数积分的数值计算方法得到声场传播在距离上的传播损失，针对不同的海底沉积物参数进行了声场的仿真计算和分析，得出浅海低频声传播的基本规律和特点。

沉积物 传播损失 切变波 波数积分

在浅海波导中，声波与海底相互作用以及海底声学参数的反演等问题，一直是声学及海洋学工作者所关注的研究课题。由于浅海声通过海底—海面反射路径传播的特点，海底的结构对声传播的影响就变得极为重要了。特别是对建立浅海低频声传播模型［1］来说，由于海底沉积物声学特性［2］的不同，在传播中出现的模式频率截止，传播干涉和切变波效应［3］所带来的模式泄漏及地震界面波的激发等现象，都会对浅海低频声传播产生重要的影响。因此，对于海底沉积物声学特性对浅海低频声传播影响问题的探讨具有重要的研究价值。

针对不同的传播问题，海洋学家们也研究和建立了多种声场计算数值模型［4-5］。对于在浅海由海面、海水及海底沉积物组成的层状结构中的声传播模型而言，由简正波理论，海水中的声场可以近似用几个简正波的叠加来表示。但弹性切变海底中，沉积物切变波声学参数的引入时，负极点的出现使得问题变得十分复杂。而通过从点声源激发声场的积分表达式出发，用数值积分方法来计算声场就能够较为有效的使问题得到简化。

1 理论推导

浅海分层海洋环境下的声场可以通过如下方法进行描述。声源在均匀分层环境中沿垂直轴分布时，采用柱坐标系（r，φ，z），并让图1中z轴通

图1 水平分层的环境

过声源，则声场将与方位角φ无关。对于各项同性介质，含有声源的第m层中具有时间关系exp（—iωt）的声场可以用标量位移势ψ（r，z）表示，位移势满足Helmoltz方程

式中：km（z）——第m层的介质波数，

对于不含声源的层，声场必须满足Helmoltz方程，其中fs（z，ω）＝0。式（1）得到深度分离的波动方程

因此，与深度有关的格林函数为

式中：A+m（kr），A—m（kr）——任意系数，由分界面上的边界条件确定。

2 浅海中低频声场的数值计算

为了有效的分析海底沉积物不同声学参数对浅海声传播的影响，文中根据海底沉积物典型的波速、密度和衰减系数按本文理论对比计算了浅海低频声传播曲线图。假设海水参数是固定的，即海水压缩波声速为1 500 m／s，密度1 000 kg／m3，海水深度为50 m。

图2 低频声传播在海底沉积层不同压缩波速下的传播损失图

图2所示沉积物压缩波速cp对浅海低频声传播的影响。图示海底模型（M1）计算假设沉积物厚度为20．0 m，压缩波衰减系数αp为0．5 dB／λ，切变波波速cs为300 m／s，切变波衰减系数αs为1．5 dB／λ，密度ρ为1 800 kg／m3。基底压缩波速为3 000 m／s，压缩波衰减系数αp为0．3 dB／λ，切变波波速cs为1 400 m／s，切变波衰减系数αp为0．5 dB／λ，密度ρ为2 100 kg／m3。并将声源置于水深（zs）10．0 m处，声源频率为30．0 Hz，接收器置于水深（zr）49．0 m处。由图2可见，沉积物压缩波速是对浅海低频声传播有重要影响的声学参数。具体而言，随着沉积物压缩波速越低，引起的损失就越大。一般的说，沉积物的压缩波速对于浅海声传播来说，是最重要的声学参数。

图3 低频声传播在海底沉积层不同压缩波衰减系数下的传播损失图

图3所示沉积物压缩波衰减系数αp对浅海低频声传播的影响。图3中海底参数模型（M2）计算沿用上述模型（M1）所用的海底参数，并确定沉积物压缩波速为1 650 m／s。对于波数积分来说，衰减系数的引入实际上是个优点，因为它使模式的奇点从实数积分轴上消除了，能够较为准确的预报由传播波数实部的变化引起的干涉图案的变化。图3可看出，在远距离上对低频声传播的干涉效应有较明显的影响。因此，对建立浅海远程传播来说，压缩波衰减系数也是极为重要的地声参数。

图4 低频声传播在海底沉积层不同密度下的传播损失图

图4所示沉积物密度ρ为对浅海低频声传播的影响。图中海底参数模型（M2）计算沿用上述模型（M1）所用的海底参数，并确定沉积物压缩波衰减系数αp为0．5 dB／λ。从图4可以看出，沉积物的密度不同，对浅海低频声传播的影响较小，特别是对浅海远程声传播来说，海底沉积物密度的变化并不重要。

图5 低频声传播在海底沉积层不同切变波速下的传播损失图

图5所示沉积物切变波波速cs为对浅海低频声传播的影响。图中海底参数模型（M3）计算沿用模型（M2）所用的海底参数，并确定沉积物密度ρ为1 800 kg／m3。由图5可以看出，沉积物切变波速的变化对浅海低频声传播的影响十分的明显。可以证明，当切变波速较小时，对浅海低频声传播的影响很小，而随着切变波速的增大，切变波在海底中传播，因而能量将从海水波导中泄漏出去，从而对声传播产生较大的影响。

图6 不同沉积物切变波速下的格林函数幅值

为了更好的说明沉积物切变波效应对浅海低频声传播的影响，将声源置于水深（zs）45．0 m，接收器置于水深（zr）48．0 m处，计算对比在有无沉积物切变波下的格林函数幅值，见图6。

由图6可以看出，切变波效应是在海水中声场为渐消声场以及海底中压缩波和切变波均为渐消波的那部分谱中有一个附加极点（kr＝0．35 m—1）。可以证明，对于传播波数略大于切变波数的弹性海底沉积层，这一极点总是存在的。与这一极点对应的是一个附加的传播模式，即地震界面波。因这一模式无论在海底还是在海水中都是渐消的，故它的效应在靠近海底-海面处最为明显。

图7 低频声传播在海底沉积层不同切变波衰减系数下的传播损失图

图7所示沉积物切变波衰减系数αs对浅海低频声传播的影响。图中海底参数模型（M4）计算沿用模型（M3）所用的海底参数，并修改沉积物切变波波速cs为300 m／s。由图7可以看出，当沉积物波速较低时，这个参数对浅海低频声传播的影响可以忽略。但可以证明，当切变波数高于海水中的声速时，该参数也会对传播产生重要的影响。

3 结论

1）沉积物cp在任何情况下都是影响低频声传播的声学参数。而沉积物αp对于建立浅海远场声传播来说，具有相对重要的影响。

2）对于传播模式很少的低频浅海声传播来说，由于沉积物cs的影响，在声场解中计入泄漏模式至为重要。并对cs较大的沉积物所引起切变波效应对浅海低频声传播影响很大。而对于大多数切变波速较小的沉积物而言，αs对声传播的影响可以忽略。

3）沉积物密度对浅海远程低频声传播来说，影响很小。

参考文献

［1］Atalla．Review of Numerical Solutions for Low Frequency Structural Acoustics Problems［J］．APPlied Acoustics，1994（43）：35-42．

［2］Hamilton L．Acoustic modelling of the sea floor［J］．J Acoust Soc Am，1980，68（5）：1313-1340．

［3］Dale D．Ellis，D M F．Chapman．Asimple shallow water propagation model including shear wave effects［J］．J．Acoust．Soc．Am，1985，78（6）：2087-2095．

［4］Kuperman W．A Schmidt H．Computational Ocean Acoustics［M］．1992：528-617．

［5］Ji-xun zhou，Xue-zhen Zhang．Geoacoustic parameters in a stratified sea bottom from shallow water acoustic propagation［J］．J．Acoust．Soc．Am，1987，82（6）：2068-2074．

Effects of sediment on the low frequency acoustic wave propagation in shallow water

YAN Bing GONGShen-guang ZHOU Wei
Dept．of Weapon Engineering Naval University of Engineering Wuhan 430033

A model of sediment′s acoustic parameters which have badly influence on the propagation of acoustic wave in shallow water was presented．Applying the theory of acoustic wave propagation and wave-number integration method of acoustic field in simulation of the transmission loss of the low frequency acoustic wave propagation in shallow water，the paper analyzed the influence of sediment upon the acoustic wave propagation，and summarized the basic regulation and features of the low frequency acoustic wave propagation in shallow water．

sediment transmission loss shear wave wave-number integration

P733．21

A

1671-7953（2007）02-0061-04

2006-09-13

修回日期2006-10-26

颜 冰（1963—），女，硕士，副教授。