Page 39 - 应用声学2019年第4期

第 38 卷 第 4 期 郭良浩等： 利用水平阵模态域波束形成判别声源深度 499

射类简正波，第9 阶以后简正波为反射类简正波；对 同图6(c)相比，从图13(a)和图13(b)可以看到，
于声速剖面 3，前 11 阶简正波是折射类简正波，第 海底声学参数的变化对近水面声源的波数谱影响
11阶以后简正波为反射类简正波；但对于声速剖面 较大，图 6(c) 中的近水面声源有 2 个峰，而图 13(a)
4，前 7 阶简正波是折射类简正波，第 7 阶以后简正 和图 13(b) 只有一个峰，且图 13(a) 峰的位置相比
波为反射类简正波。低阶简正波的折射导致了近水 图 6(c) 的偏右，图 13(b) 峰的位置相比图 13(a) 的有
面声源低阶简正波的激发幅度很小。简正波是否发 微小的偏右。同图 6(c) 相比，水下声源波数谱的旁
生折射和声源的频率有关，和负跃层的位置、厚度、 瓣降低了，但峰的位置变化不大。
强度有关。在实际应用场景下，可以利用式 (15) 判 进一步讨论海深对波数谱的影响，将仿真示例
断是否有足够的低阶简正波发生了折射，即近水面 的海深分别调整为 95 m 和 105 m。图 14(a) 对应海
声源激发了多少阶低阶模态，来分析在当前声速剖 深 105 m，波数谱相比图 6(c)除幅度外无明显变化。
面条件下能否利用本文方法进行声源深度判别。 图 14(b) 对应海深 95 m，近水面声源波数谱只有 1
下面讨论海底声学参数对波数谱的影响，海底 个能量较强的峰，且相比图6(c)偏右，而水下声源出
模型采用单层结构模型。图 13 是在图 2 的负跃层 现了 2 个能量较强的峰。当海深发生变化时，声源
声速剖面条件下，采用如下两种海底声学参数得到 和接收器深度激发的各阶简正波幅度可能会发生
的波数谱，第一种：海底声速 1600 m/s，海底密度 不同程度的变化。
3
1.8 g/cm ，海底吸收系数 0.2 dB/λ；第二种：海底 1.8
3
声速 1587 m/s，海底密度 1.5 g/cm ，海底吸收系数 1.6
0.4 dB/λ。 1.4
ࣨए/T10 -6 1.0
1.2
2.5 0.8
0.6
2.0
0.4
ࣨए/T10 -6 1.5 0 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
0.2

1.0
ฉ஝
(a) ๒ງ105 m
0.5
1.0
0
1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 0.8
ฉ஝
ࣨए/T10 -6
(a) ኄʷመ๒अ 0.6
1.8 0.4
1.6
1.4
0.2
ࣨए/T10 -6 1.0 0 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
1.2
0.8
ฉ஝
0.6 (b) ๒ງ95 m
0.4
图 14 不同海深条件下的波数谱
0.2
Fig. 14 Wave number spectra at different sea depths
0
1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
ฉ஝ 在仿真示例的浅海负跃层声速剖面条件下，对
(b) ኄ̄መ๒अ 各个阵元添加高斯白噪声，逐渐降低信噪比，观

图 13 不同海底声学参数条件下的波数谱 察波数谱的变化情况。当单个阵元信噪比降低到
Fig. 13 Wave number spectra under different −10 dB 时，就无法得到正确的波数谱了。这主要
acoustic parameters of the seabed 是由于 10 个阵元的水平阵对应的理论阵增益只有