鹿力成1，2†　马 力1，2

（1中国科学院水声环境特性重点实验室　北京　100190）（2中国科学院声学研究所　北京　100190）

⋄研究报告⋄

大陆架低频声传播建模研究

鹿力成1，2†马 力1，2

（1中国科学院水声环境特性重点实验室北京100190）（2中国科学院声学研究所北京100190）

在过去的几十年中大陆架斜坡海域的低频声传播得到越来越多的重视。针对爆炸声作为声源的一次海上实验测量数据，对大陆架海域的低频远距离声传播进行了建模研究。在实验过程中单水听器布放在水下大约240 m处接收爆炸声信号，对两条不同测线的传播损失进行了处理。本文结合海底地声模型并考虑了声速剖面的水平变化，利用抛物方程方法对传播损失进行建模。模拟计算该海域的传播损失同实验测量数据相比具有较好的一致性。

低频声传播，传播损失，大陆架斜坡，地声模型

1　引言

在过去的几十年中，大陆架斜坡海洋环境中的声传播研究在理论［1-4］和实验［5-8］都得到越来越多的重视。在声传播建模过程中需要考虑众多因素，如海水声速剖面结构、海底地形变化、海面粗糙度、海底粗糙度和海底介质的声学特性等。然而在多数低频情况下忽略了海面和海底的粗糙度对声传播的影响。S.E.Dosso等［5］人观测到了由于海底地形变化引起了声传播聚焦特性。Juan［6］分析了海底地形变化测量精度和海底地声反演模型对低频声传播的影响。俄罗斯的R.A.Vadov［7］和A.V. Mikryukov［8］分别分析了从深海到浅海的远距离声传播问题。潘长明［9］分析了声速剖面的变化对声传播的影响。

为了研究大陆架斜坡海域的低频声传播特性，在大陆坡沿着两条不同测线进行了一次海上声传播实验，该海域海底地形变化非常复杂。本文给出了声波沿大陆架上坡方向传播的实验结果，并建立了大陆架海域海底地声模型。利用该海底地声模型对声传播理论计算并与实验数据进行对比。

2　实验介绍和数据处理

2010年在大陆坡架海域进行了一次声传播测量实验。自容式单水听器布放在水下大约240 m接收爆炸声信号。实验船沿着两条确定测线投放爆炸声源，爆炸声源间距大约1.2 km，爆炸深度大约295 m。实验船分别沿着H-A和H-B航线投放爆炸声源。图1分别给出了两个测线海底地形变化和在航行过程中测量的声速剖面。H-A航线上H点处海深650 m，随着距离增加逐渐变深，在76 km处海深为2880 m，然后开始变浅越过一个小的海底山。H-B航线上海深逐渐增加，在60 km处达到1800 m，然后有一个较为平坦的海底盆地。声速剖面是通过在航行过程中投放的XBT测量的温度剖面得到。XBT的最大测量深度为500 m，其它深度上的声速是通过在A点和B点利用CTD测量声速剖面差值得到。图2给出了在A点和B点利用CTD测量的声速剖面，声速最小值的深度大约为1200 m处。

水听器接收到爆炸声信号进行傅里叶变换，在1/3倍频程内得到声能量计算传播损失，传播损失计算的频率范围为50 Hz～400 Hz。传播损失的计算公式如下：

其中TL为传播损失，SL为声源级，RL为接收信号的声压级。在整个实验过程中使用的是一种标准爆炸声源，每个爆炸声的源级相差很小，图3给出了13个该类爆炸声的源级平均值和方差，可以看出在低频段内声源级的变化非常小，其中方差的最大值为0.77 dB。

图1　两条航线上的海深和声速剖面Fig.1 Water depth variation and sound speed profiles along the two tracks

图2　A点和B点测量的声速剖面（CTD）Fig.2 The measured sound speed profiles at A and B（CTD）

为了保证接收到远距离爆炸声信号的有效性，选取频域上信噪比大于10 dB的频段计算声传播损失，中心频率为50 Hz，90 Hz，200 Hz和400 Hz，带宽为1/3倍频程。图4给出了两条测线上不同频率的声传播损失曲线，其中实线为H-A测线上的传播损失，点虚线为H-B测线上的传播损失。在50 Hz时两条测线上的传播损失差别不大，而在较高频率50 km外测线H-B传播损失比H-A传播损失大10 dB以上。H-A测线上在100 km处由于海底地形的变化传播损失突然减小很多，而对于H-B测线传播损失在60 km以外变化很小。

图3　爆炸声源级Fig.3 Source level of detonation

图4　中心频率为50 Hz，90 Hz，200 Hz和400 Hz传播损失曲线Fig.4 Transmission losses versus range for the 1/3-oct bands centered at 50 Hz，90 Hz，200 Hz and 400 Hz

3　声传播建模

本文采用M.D.Collins［10］给出的抛物线方法（PE）对水平变化情况下的传播损失建模。这种水平变化环境下的声场计算程序（RAM）是基于分裂步进的Padé近似求解声波方程，它能够计算宽角度的传播模态和通过能量守恒的方法修正分界面问题。

传播损失的建模需要考虑几何扩展、水中吸收和海底的相互作用。水中的吸收系数利用Urick［11］给出的半经验公式计算得到

这里频率是千赫兹（kHz）。通过对RAM声场计算程序进行修改，使它能够处理包含水中衰减的传播问题。数值仿真结果表明在150 km范围内，即使在400 Hz水中的衰减系数为0.02 dB/km，水中的衰减对传播损失的计算影响很小。因此在后面的数值计算中忽略了海水的衰减。

海底的地声模型为一个沉积层覆盖在半无限大基底层上。卢博［12］和邹大鹏［13］指出大陆架区域海底沉积层是高声速海底。卢博给出了大陆架区域海底采样的平均值为1490 m/s，而邹大鹏建立了一个高声速的海底地声模型，海底表层声速为1507 m/s。假设大陆架上基底层的声速随距离水平变化很小，根据Lu等［14］反演获得该海域的大陆架基地声速为1750 m/s。通过数值模拟传播损失和实验数据比较，结合上面海底地声模型的分析，建立的地声模型如图5所示。海底表层的声速为1500 m/s，声速梯度为3 s-1，沉积层厚度为10 m，沉积层和基底层的密度分布为1.5 g/cm3和1.7 g/cm3，海底的衰减系数为

这里频率单位为千赫兹（kHz）。将建立的海底地声模型、实验过程中测量的海底地形和声速剖面带入声场计算模型。为了和测量的传播损失比较，数值模拟传播损失的计算为1/3倍频程内20个频率点的相干传播均值。图6和图7分别给出了RAM模型计算的传播损失和实验数据对比，两者符合较好。

图5　海底地声模型Fig.5 Seabed geoacoustic model

图6　模拟传播损失与试验数据对比（H-A）Fig.6 Comparison of PE model results with measured TL（Track H-A）

在H-A航线100 km处，从模拟结果明显能看到声场聚焦现象。在H-B航线70 km处，除了400 Hz以外其它频率的声传播损失增加很多，而400 Hz的声传播损失在75 km和100 km处有小的突起，即传播损失变小。这些小的突起对海底表层的声速非常敏感。H-B航线60 km以外海深变化范围1800～2000 m，在这个深度上海水的声速大约1492 m/s，只有海底声速高于水中声速模拟的传播损失才能和实验中观察到的传播损失小突起相吻合（图7圆圈所示）。图8数值模拟了海底表层声速分别为1500 m/s和1510 m/s时的传播损失曲线。海底表层声速只能比海底海水声速略大，如果海底声速过大模拟的传播损失将会出现很大的突起。这也是在前面地声建模中选取了沉积表层声速为1500 m/s的一个重要原因。

在上面的计算中考虑了海水声速剖面的水平变化情况。图9给出了不同距离上从海面到水深500 m处的海水声速剖面变化情况。由于声源深度和接收水听器深度都在240 m以下，因此尝试利用平均声速剖面代替水平变化情况下的声速剖面计算H-A航线传播损失，如图10所示。通过模拟计算发现平均声速剖面计算的传播损失和水平变化情况下计算的传播损失差别很小，H-B航线有类似结果，说明在这种情况下声速剖面的水平变化对声传播损失影响很小。

图7　模拟传播损失与试验数据对比（H-B）Fig.7 Comparison of PE model results with measured TL（Track H-B）

图8　数值模拟不同的海底声速下传播损失（400 Hz）Fig.8 Simulation of TL using different seabed velocities（400 Hz）

图9　H-A航线声速剖面变化情况Fig.9 The sound speed profile of different ranges in top 500 m

图10　平均声速剖面代替水平变化声速剖面（H-A航线）Fig.10 Comparison of TL between range dependent SSP and average SSP（Track H-A）

4　结论

本文分析了大陆架海域低频声传播数据，给出了50 Hz～400 Hz带宽内四个频率点处带宽为1/3倍频程的声传播损失。在整个实验过程中对海底的地形和声速剖面同时进行了测量。利用单水听器接收爆炸声信号，对两条大陆架海域的不同航行的传播损失数据进行了分析。两条航向上的声传播有较大差别，H-A航向的传播损失小于H-B航向的传播损失。用水平距离变化的声场计算模型对传播数据进行了模拟。建立了具有两层结构的海底地声模型，计算的传播损失和实验数据符合较好。然而在传播损失对比中还是有一些缺点，如H-A航向上，50 Hz模拟的传播损失较实验数据偏大，这可能是因为建立的水声环境模型相对比较简单。上百公里范围水声环境是复杂多变的，建立相对复杂和体现真实海洋环境的模型是进一步的研究工作。

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Modeling of low frequency acoustic propagation loss across a continental shelf

LU Licheng1，2MA Li1，2
（1 Key Laboratory of Underwater Acoustic Environment，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）（2 Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

The study of acoustic propagation in a continental shelf sloping-bottom ocean environment has received much more attention in the past several decades.Measurements of low frequency acoustic propagation loss using explosive charges as sources were obtained in an experiment over a continental shelf in the sea trial. During the experiment，a single hydrophone was deployed at about 240 m to receive the signal of explosive charges.Two transmissions losses of different tracks across the continental shelf were processed.Modeling of the transmissions using parabolic equation method with a geoacoustic model of the environment which includes the range dependent sound speed profile（SSP）is presented.The model results are in excellent agreement with the measured values over the low frequency band.

Low frequency acoustic propagation，Transmission loss（TL），Continental shelf slope，Geoacoustic model

O427.1

A

1000-310X（2015）03-0220-07

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.03.006

2014-06-27收稿；2014-11-05定稿

鹿力成（1981-），男，内蒙古赤峰人，博士，研究方向：水声传播。†

E-mail：luce_1983@sina.com