刘代 李整林 刘若芸

1) (中国科学院声学研究所,声场声信息国家重点实验室,北京 100190)

2) (中国科学院大学物理学院,北京 100190)

海底粗糙对水下声传播及水声探测等应用具有重要影响.利用黄海夏季典型海洋环境,分析了同时存在海底周期起伏和强温跃层条件下的声传播特性,结果表明: 由于海底周期起伏的存在,对于低频(< 1 kHz)、近程(10 km)的声信号,传播损失可增大5—30 dB.总结了声传播损失及脉冲到达结构随声源深度、海底起伏周期及起伏高度等因素变化的规律.当海底起伏周期不变时,起伏高度越大引起的异常声传播的影响随之变大; 当起伏高度不变时,随着起伏周期变大,其对声传播的影响逐渐变小.用射线理论分析了其影响机理,由于海底周期起伏改变了声波与海底的入射和反射角度,使得原本小掠射角入射到海底的声线变为大掠射角,导致海底的反射损失增大; 另一方面,声线反射角度的改变会使得原本可以到达接收点的声能量,由于与海底作用次数增加或变为反向传播而大幅度衰减.在浅海负跃层环境下,声源位于跃层上比位于跃层下对声传播影响更大.周期起伏海底对脉冲声传播的影响表现在引起不同角度的声线(或简正波号数)之间的能量发生转化,一些大角度声线能量衰减加大,多途结构变少.多途结构到达时间及相对幅度的变化进而影响声场的频谱,会使得基于匹配场定位的方法性能受到影响.所以,声呐在实际浅海环境中应用时,应对起伏海底的影响予以重视.此外,研究结果对海底地形测绘空间精度的提高也具有重要参考意义.

1 引 言

在浅海中,由于声波会与海底及海面发生多次作用,海底作为水下声场的重要下边界,其声学特性和海底地形起伏对声传播的影响极为重要,所以海底一直是浅海声学研究中的一个重要方向[1].与海面波浪起伏引起的形态和统计特性随风速变化而变化的情况不同,海底特性在相当长一段时期内可以近似认为随时间不变[2].在实际的海洋环境中,海底界面一般是粗糙不平的,已有的文献[3−18]指出粗糙海底会对声通信、匹配场定位、海底参数反演产生影响.有关海底山、海洋斜坡等地形变化对声传播的影响以及海底声散射特性的研究得到了国内外学者的广泛关注[3−18].

20 世纪50—80 年代,Urick[3]与McKinney和Anderson[4]通过研究海底声散射得出海底的粗糙度或微起伏是引起海底声散射主要原因的结论.20 世纪90 年代,Jackson 等[5]和Lyons 等[6]在海底声散射特性测量和研究中,得出可采用海底粗糙度谱来表征海底粗糙性的结论.2002 年李整林[7]研究了匹配场定位时由海底表面粗糙等引起的环境失配问题,得出结论,海底界面粗糙会降低宽带匹配场处理的定位性能……