深海声速剖面结构变化引起的会聚区偏移特性分析

王一帆

中国海洋大学，山东青岛 266100

0 引言

声速剖面可以反映一定范围内海洋的声速垂直结构，对于水下声音传播有着重要的影响。而会聚现象则是深海中特有的声传播现象，当声援和接收器全都位于海洋近表层时，声援发射的声波，经过深海海水的反射后，会折回海面，并在间隔60km ～70km 的区域范围内，形成宽约3km ～4km 的较高声强环带状区域，相关人员将这个区域称为会聚区。对于我国而言，海域辽阔，海洋气象水文环境复杂，其声速场具有较大的区域性和季节性变化特征，因此，对深海声速剖面结构变化引起的会聚区偏移特性进行分析，对于海洋工程和国防领域的应用具有重要意义。

1 建立分层声速剖面模型

在对声速剖面结构变化进行分析时，可以采用分层声速剖面模型来进行。通常情况下，声速剖面属于典型的三层结构，分层声速剖面模型（LSSPM）在进行分析时，使用 0z ～5z 来分别表示深海海面、混合底层、主跃底层、深海等温层上边界以及海底位置。同时，根据4 个水层的不同声速特征，对拟合函数F（z）随着水深变化而变化的关系进行分析。0z ～5z 的5个特征深度，分别构成了声速剖面各层的边界：0z ～1z 为混合层，1z ～2z 为主跃层，2z ～3z 为深海声道层，3z ～4z 为深海等温层。根据这些特征，假设深海声道剖面中声速最小值所在深度为 mz ，可知其数值在 2z ～3z 之间，则对于混合层中的声速剖面结构而言：

F(z)=a0+a1z +a2z2,z0≤z≤z1其中 a0、 a1、 a2为多项式的系数。

在公式中，A 表示跃层的核心位置，B 表示核心位置附近的声速梯度强弱。

对于深海声道层而言，其模型表达式为：

其中，η =2 Dzzm/)( − ），表示无量纲化的深度；mc 表示声道轴处的声速；D 代表声道的厚度；ε = D ⋅γA/2表示扰动系数，而 γA数值为0.0114km-1，为绝热速度梯度。

对于深海等温层声速而言，其为正梯度结构，变化缓慢

F(z)=b0+b1z +b2z2,z3≤z≤z4其中，b0、 b1、 b2代表多项式系数。

根据相应的公式，在对相应的参数数值进行确定后，可以建立起完整的LSSPM 模型。

2 深海声速剖面结构变化的影响分析

2.1 声速值变化的影响

要对声速值的整体变化进行分析，首先考虑声速梯度不变情况下的声速值变化。通过相应的模型计算和分析，在声速梯度保持不变的前提下，剖面声速值每增加5m·s-1，第一会聚区会向着与声源相反的方向，偏移0.1km，而第二和第三会聚区的偏移量为0.2km 和0.3km，因此，剖面声速值本身并不是引起会聚区偏移的主要因素。

2.2 混合层变化的影响

假定混合层发生厚度变化，而其底部的最大声速值保持不变，则可以根据计算得出，混合层每增加50m，第一会聚区会向着与声源相反的方向偏移0.5km ～1.0km，第三会聚区的偏移量则可达到2.0km ～3.0km。同时，随着混合层的加深，还伴随有表面声道的产生。但是，表面声道并不会影响到会聚区，混合层引起会聚区的偏移主要是由于其厚度加深导致的主跃层结构变化。对于季节性变化明显的中纬度海洋，其混合层冬夏变化显著，表现为冬深夏浅，主跃层结构受季节变化影响小。因此，在假设主跃层结构不变的情况下，混合层会随着声速值的减小而不断加深。计算结果显示，在这种情况下，混合层每增加50m，第一会聚区会向着声源所在地偏移1.0km ～2.0km，第三会聚区偏移量为2.0km ～4.0km。虽然主跃层的结构没有变化，但是其强度却发生了改变。由此可得，混合层引起的会聚区偏移是通过改变主跃层实现的。

2.3 主跃层的影响

假定主跃层底部的位置以及声速保持恒定，则其强度和结构会随着近表层的声速变化而变化。同样根据计算结果看出，近表层声速每增加5m·s-1，第一会聚区会向着远离声源的方向偏移1.0km ～2.0km，第三会聚区偏移量为3.0km ～5.0km。因此，主跃层的结构变化对于会聚区的偏移影响是十分巨大的。通常情况下，主跃层强度越高，则会聚区距离声源越远，反之亦然。

2.4 深海等温层的影响

假定深海等温层上界为4000m，其声速剖面结构不变，下声速会有一定地变化，但是仍然可以保持相同的梯度。经过计算，深海等温层的声速每增加2m·s-1，第一会聚区会向着远离声源的方向偏移1.0km ～1.5km，第三会聚区的偏移量为2.0km ～3.0km。而根据之前的结论，声速值的整体变化对于会聚区偏移的影响很小，则这种情况下会聚区产生偏移的主要原因，是声速剖面在深海声道轴与深海等温层上界之间的声速梯度差异造成的。

3 结论

综上所述，可以得出以下结论：

1）声速值整体变化对于会聚区偏移的影响很小，因此，真正影响会聚区声传播特征发生变化的因素不是声速值，而是其剖面的垂直梯度变化；2）主跃层、混合层以及深海温度层的变化都会引起会聚区的偏移，需要相关人员进行详细地分析；3）深海声速剖面结构变化下的会聚区特性对于海洋工程和国防都是非常重要的，需要相关研究人员的重视。

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