中尺度涡条件下的深海声场效应研究

张 林, 刘 东, 陈文景, 孙雪海

中尺度涡条件下的深海声场效应研究

张 林1, 2, 刘 东1, 2, 陈文景2, 孙雪海1, 2

(1. 海军潜艇学院, 山东 青岛 266199; 2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室, 山东 青岛 266237)

通过构建中尺度涡的数学模型, 利用射线-简正波-抛物方程(RMPE)声学模型进行传播损失计算, 进而分析在深海声道、深海会聚区、海底反射3种传播模式下, 中尺度涡对深海声效应的影响。数值仿真结果显示, 暖涡对深海声道、会聚区产生下压效果, 使会聚区水平距离变大, 深海声道深度方向上变宽; 冷涡使会聚区上抬, 距离变短, 对声场散射现象明显。研究结果表明, 涡旋环境条件下, 声场特征会产生显著变化。试验结果揭示了中尺度涡对深海声场效应的影响, 对指导海上运用中尺度涡现象开展的科学研究、工程实践、军事运用具有积极的指导意义。

中尺度涡; 传播损失; 声学模型; 会聚区

海洋涡旋是指一种特性的水团被另一种特性不同的水体所包围, 同时自身具有封闭的顺时针或逆时针方向旋转运动的海洋中尺度特征[1]。涡旋是海洋中一种旋转的、平移的水体, 可类比于大气中的飓风现象。从本质上看涡旋是一种特殊类型的海洋锋。从涡旋的中心水体的温度特性来分, 一般将其分为冷涡和暖涡。海洋中存在大量的涡旋, 在黑潮流经的区域和湾流区域是典型的涡旋活动区域, 典型的涡旋直径在100~300 km, 时间尺度约为20~200 d, 表面旋转速度可以达到3 kn以上, 涡旋中心的移动速度比较缓慢, 从产生到消亡的周期可以达1年之久。由于海洋涡可以相对较长时间稳定存在, 且空间尺度也比较大, 因此研究其对声传播的影响, 意义重大。

李佳讯[2]等人用MMPE(monterey-miami parabolic equation)声学模型研究了海洋涡的性质、强度、位置、声源频率、置放深度等对声传播的影响。张旭[3-4]等人则从海洋涡环境和海底地形两个角度来研究声场效应。程天际[5]等人利用动态射线寻迹方法构造中尺度涡模型和水声传播模型耦合模型, 并进一步研究涡环境下水声传播规律。刘阳洋[6]讨论分析了中尺度海洋涡对匹配场时间和空间相关的影响。张林林[7]运用潜用ADCP在西太平洋观测到中尺度涡在垂直结构上随纬度会发生变化。

RMPE(Ray-Model-Parabolic equation, 射线-简正波-抛物方程)模型是基于射线-简正波模型, 将射线模型和抛物方程模型相结合, 针对水平变化环境而提出的水声传播模型, 数值仿真结果显示, 该模型对水平环境变化海域的声场计算问题适用性较强[8-9]。本文对海洋涡模型进行构建, 利用RMPE模型计算海洋涡环境下声传播损失, 分为深海声道、深海会聚区和海底反射3种模式分别进行计算研究。

1 中尺度涡及声场数值模型

1.1 中尺度涡模型

构建海洋涡模型, 采用Munk声速剖面作为深海无涡时海区的声速剖面, 叠加高斯涡。涡中的声速由以下公式确定[2, 10]:

利用Matlab仿真, 取水平距离200 km, 深度5 000 m, DR=80 km, DZ=800 m,c=800 m,0=1 000 m,=450。通过调整涡强DC可以得到冷涡、暖涡以及涡的强度, 调整涡心水平位置c来研究向涡内传还是向涡外传。当c=100 km时, 分别取DC=+80和 DC=–80, 得到暖涡和冷涡的声速分布图如图1。

图1 暖涡和冷涡声速分布

1.2 RMPE理论

水平变化的海洋环境中, 在柱坐标系下, 声波满足下列波动方程[8-9]:

为介质密度,为介质中声速,为声压,为圆频率,s为声源深度。

边界条件:

–()、+()分别表示海底处的上下表面, ∂/∂为海底斜面法线方向的偏导数。

设解的形式为:

边界条件:

将(7)式代入(6)式, 在绝热近似条件下, 经过化简, 得:

解得:

从而可以得到声强和传播损失表达式TL (Trans­mission Loss):

2 中尺度涡条件下的深海声场效应

中尺度涡所引起的声速场的扰动能够对声传播轨迹产生重大影响, 根据声传播的基本规律, 声线总是弯向声速小的方向, 暖涡中心温度高, 使声波辐散, 冷涡则相反, 使声波辐聚。涡的出现改变了声速梯度(正梯度或负梯度), 进而影响了表层、深层信道中声的传播。

下面从深海声道、深海会聚区、海底反射3种传播模式, 采用RMPE声传播模型, 具体分析中尺度海洋涡环境下, 深海声场效应。

2.1 深海声道传播模式

图2 无涡时深海声道传播损失

比较图2、图3、图4, 在深海声道传播模式下, 声波经过暖涡时, 声道深度发生下压, 穿过暖涡之后, 声道又逐渐回到原来深度, 且涡强越强现象越明显, 暖涡作用下, 声道的宽度发生明显的增宽。当声波经过冷涡时, 声道特征变得模糊, 冷涡的存在使声道传播发生散射, 声波均匀散布于整片海域, 当涡强变弱时, 深海声道现象又逐渐明显。

图3 深海声道传播模式下不同涡强声波在暖涡传播损失

图4 深海声道传播模式下不同涡强声波在冷涡传播损失

2.2 深海会聚区传播模式

声源深度100 m时, 为会聚区传播模式。水平距离变为200 km, 其余计算条件不变。图6为无涡时的传播损失, 图7为涡强DC分别为+80、+70、+60、+50、+40、+30时, 声波在暖涡的传播情况。图8为涡强DC分别为–80、–70、–60、–50、–40、–30时, 声波在冷涡的传播情况。

图5 无涡时深海会聚区传播损失

比较图5、图6、图7, 在深海会聚区传播模式下, 声波经过暖涡时, 会聚区深度发生明显下压, 涡强为+80时, 深度下压到1 000 m左右, 并且会聚区的深度穿过暖涡之后, 会聚区深度开始恢复正常深度; 声波经过冷涡时, 会聚区发生抬升效果, 且会聚区宽度变窄。

2.3 海底反射传播模式

声源深度100 m, 水平距离变为200 km, 计算深度变为3 000 m, 其余计算条件不变。图9为无涡时的传播损失, 图10为涡强DC分别为+80、+70、+60、+50、+40、+30时, 声波在暖涡的传播情况。图11为涡强DC分别为–80、–70、–60、–50、–40、–30时, 声波在冷涡的传播情况。

比较图8、图9、图10, 在海底反射传播模式下, 声波经过暖涡时, 反射会聚区下压, 会聚区特征变弱, 且经过暖涡的声传播损失明显变大; 经过冷涡时反射会聚区上抬, 有转变为翻转会聚区的趋势, 而且冷涡位置处会聚区的距离明显变窄。

3 结论

与不存在中尺度涡相比, 声波在深海传播经过中尺度涡时, 声场的主要特性会发生明显的改变, 其中包括会聚区的偏移声波散射等。数值仿真结果显示, 暖涡对深海声道、会聚区产生下压效果, 使会聚区水平距离变大, 深海声道深度方向上变宽; 冷涡使会聚区上抬, 距离变短, 对声场散射现象明显。文中通过数值仿真直观的展示出声波在一定范围内传播损失情况, 可以为深海声传播特性分析提供借鉴, 并在一定程度上对潜艇进行战术机动和反潜战过程中, 提供辅助性决策。

图6 深海会聚区模式下不同涡强声波在暖涡传播损失

图7 深海会聚区模式下不同涡强声波在冷涡传播损失

图8 无涡时海底反射传播损失

与射线学Bellhop模型、抛物近似模型FOR3D、MMPE模型对比来看, 本文采用的RMPE模型在研究中尺度涡对水下声传播的影响时, 得到的基本结论类似, 即中尺度涡会对声传播造成影响, 暖涡和冷涡会表现出不同的传播规律, 例如暖涡使会聚区水平方向上变大, 而冷涡表现为宽度变窄。

图9 海底反射传播模式下不同涡强声波在暖涡传播损失

RMPE模型可以很好地用于研究水声传播规律, 下一步的工作将根据真实海洋涡测量数据构建涡模型, 分析声波在中尺度涡传播环境下, 传播损失的具体数值变化, 研究不同位置的传播损失情况, 从而直接给出潜艇或水面舰最佳的规避和探测位置。

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Deep-sea acoustic field effect under mesoscale eddy conditions

ZHANG Lin1, 2, LIU Dong1, 2, CHEN Wen-jing2, SUN Xue-hai1, 2

(1. Navy Submarine Academy, Qingdao 266199, China; 2. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China)

Numerical simulation tests can be performed for qualitatively understanding their effect on sound propagation. In ocean eddy environments, sound wave transmission will vary greatly due to changes in the sound velocity field. In the present paper, transmission loss was calculated using the ray-normal wave-parabola equation (RMPE) acoustic model by constructing the mathematical model of the mesoscale eddy. Next, the influence of the mesoscale eddy on the sound effect in deep sea was analyzed under the following three transmission modes: deep sea channel, deep sea convergence zone, and seafloor reflection. The numerical simulation results show that the warm eddy exerts a downward pressure effect on the deep-sea sound channel and convergence zone, which increases the horizontal distance of the convergence area and broadens the depth direction of the deep-sea sound channel. Meanwhile, the cold eddy elevates the convergence area and shortens the distance of the deep-sea sound channel. This phenomenon of scattering of the sound fields is apparent. The results showed that the characteristics of sound fields will change significantly under different eddy environments.These experimental results revealed the influence of mesoscale vortices on the deep-sea sound field effect, which is significant for scientific research, engineering practices, and military applications utilizing the mesoscale vortices at sea.

mesoscale eddy; transmission loss; acoustic model; convergence zone

June 25, 2019

P733.21

A

1000-3096(2020)03-0066-08

10.11759/hykx20190625002

2019-06-25;

2019-09-17

国家重点研发计划资助项目(2017YFB0202701)

[National Key R&D Program of China, No.2017YFB0202701]

张林(1979-), 男, 山东青岛人, 副教授, 博士, 研究方向为水声环境效应技术, 电话: 0532-51858691, E-mail: zhanglinqtxy@163.com; 陈文景,通信作者, E-mail: chenwenjingmail@qq.com

(本文编辑: 刘珊珊)