浅海起伏海面下气泡层对声传播的影响

侯林洋

摘 要： 起伏海面下，受到风浪影响产生的气泡层会对声传播产生影响，其不仅能够使水中声速剖面改变，同时也会散射并吸收声波。基于此，本文就浅海起伏海面下气泡层对声传播影响展开分析，先从声反射系数和声传播损失两方面就气泡层与声传播关系进行分析，进而得到相关结论，得到受不同风速影响，气泡层会对声传播产生一定影响。

关键词： 浅海;起伏海面;气泡层;声传播

【中图分类号】TU746.3     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）11-0221-02

1 引言

平整海面中，声波反射系数是-1，其不会导致海面反射出现较大的损失，而在海浪影响下，海面会出现起伏现象，进而反射、散射声波，导致海面反射出现损失，同时，在风浪的影响下，海面中的气泡会导致声传播受到影响。研究发现，强风浪时，起伏海面和近海面气泡层会影响声传播，考虑到风浪个下，气泡层会影响海面反射损失，在风速10m/s条件下，计算气泡总体积，简单得到海面反射系数以及气泡导致的声场衰减系数。本文则进一步就此展开研究，提高模型适用范围，考虑不同情况下的声传播损失。

2 起伏海面下气泡层与声传播的关系

2.1 声反射系数

频率在2kHz时，水速是1490m/s，海表面的风速是7、10、13和16，水中的声速剖面见图1，海面在0-10m中的水中声速会产生相应的变化，风速在13时，海面表层的水中声速为32m/s。

水中气泡能够散射并吸收声能量，导致声能量衰减。在2kHz时，不同海面的风速导致的气泡层，衰減结果如图2所示。

（3）求解多层气泡结果的声反射系数

在对海面反射损失影响情况进行研究时，随着水深变化，气泡层对声波的效应也会发生变化，划分气泡层，垂直方向需要采用递归方法进行求解。见图3，气泡混合层分成垂直多层结构，底层和顶层以及中间层。由于小掠射角入射声波影响，在水中声速1490m/s情况下，风速是7、10、13，对海面反射损失进行计算。在不对气泡层影响情况考虑情况下计算起伏海面反射损失，在此基础上加入消减效应，风速不同气泡层导致的声波衰减系数也有所不同。同时，在此基础上加入折射效应，得到不同风速下，气泡层声速剖面变化不同。将0-10m海面分成100层，通过上述方法逐层计算，在此基础上加入折射和消减两个效应，得到的影响因素与图中相符。

风速在7m/s时，起伏海面粗糙度要相对较小，这时受到风浪影响，气泡层对于声速改变和声波散射起到的作用较小，因此，海面反射的损失也就比较小。气泡层折射效果比较明显，频率超过2kHz，起伏海面下，气泡会使海面反射损失改变，对比（c）和（d）发现，气泡层会吸收并散射声波，且能够对于声波起到折射作用。由此可见，风速超过10m/s且频率超过2kHz，海面粗糙度与气泡层会影响小略射角小的声传播[2]。反射损失和气泡层对于海面反射损失影响也在增大，风速为13m/s、频率为1kHz时，小略射角下海面反射损失有着比较明显的影响。

2.2 声传播损失

从上述的分析中得到起伏海面下，气泡层中声传播计算方法及其流程，得到相应的参数、系数等。由此分析气泡层对声传播损失的影响。

水深80m，声源深度7m，接受深度7m，不含气泡水中的声速1490m/s，气泡层下，修正系数，风速分别为7、10、13、16，计算起伏海面下，有无气泡层时声传播损失情况。应用宽带非相干法计算中心频率是3kHz下的声传播损失曲线，其是风速分布为7、10、13、16四种情况下，得到的声传播损失曲线，红色为平整海面计算、绿色为起伏海面无气泡层、蓝色为起伏海面有气泡层。从中发现，风速在7m/s时，红绿两条曲线分贝差距为5dB，蓝绿曲线几近重合，这是因为气泡层导致的衰减系数和声速结构改变比较小，气泡层对声传播损失影响也比较小;风速10m/s时，红绿曲线差距4.6dB，蓝绿曲线差距为0.4dB;风速13m/s时，红绿曲线差距6.6dB，蓝绿曲线差距2.5dB;风速16m/s时，红绿曲线差距为11.3dB，蓝绿曲线差距为8.1dB。由此可见，风速大，起伏海面下气泡层对于声传播有着更大的影响。

3 结论

大风天气中，起伏海面会出现气泡层，其不仅会导致水中声速剖面变化，同时也会导致声波由于散射和吸收作用而出现衰减现象，本文就起伏海面下气泡层对于声传播的影响进行研究，分析了相应的计算方法，并从海面声反射损失与气泡层声传播损失这两方面进行了分析，实验发现，风速超过10m/s时，气泡层频率超过2kHz，小掠射角下海面声反射损失有着较为明显的影响，风速超过13m/s，气泡层频率超过1kHz，小掠射角下海面声反射损失有着较为明显的影响。

参考文献

[1] 刘若芸，李整林.随机起伏海面对浅海声传播的影响[C]//2018年全国声学大会论文集B水声物理.0.

[2] 郑广赢，刘福臣，邵游，等.海面起伏对水平阵阵增益的影响[C]//中国声学学会水声学分会2019年学术会议论文集.2019.