Page 100 - 应用声学2019年第5期

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浅海孤子内波对 150 Hz 声场信号的水平纵向相关
0 引言
系数的影响。最后将仿真结果与理论推导结果进行
近年来，孤子内波、涡旋、海洋锋面等海水介质 对比，结果一致。
的不均匀性对声场的影响受到广泛的关注。我国具
1 问题描述
有广阔的海岸线，在我国南中国海大陆架海域常有
孤子内波的观测报告出现，当孤子内波在声波传播 1.1 波导模型
路径上出现时，由于内波在水平方向上引起大范围 图 1 是浅海波导声速剖面示意图，海底为平坦
的声速剖面起伏，从而引起声传播的起伏。有时这 海底并且深度为40 m，温跃层深度从15 m到27 m，
种起伏是相当可观的，可以在几十公里的距离上增 温跃层以上海水声速为 1530 m/s，温跃层以下海
加数十分贝的额外传播损失。 水声速为 1480 m/s。上表面为理想海面，海底为
孤子内波作为影响声场的主要因素之一，一直 液态半空间海底，海底声速为 1530 m/s，密度为
是近年来水声研究的热点之一，人们对孤子内波展
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1.5 g/cm ，吸收系数为 0.2 dB/λ。声速随深度分布
开了大量的工作。1991 年，Zhou 等 [1] 指出孤子内 表示式为
波的存在会影响声场声压传播损失，这种影响与声 
c 1 , 0 6 z 6 z 1 ,

源频率和孤子内波频率有关。1995 年，美国新泽西 

c 0 (z) = c 1 + ξ(z − z 2 ), z 1 6 z 6 z 2 , (1)
大陆架海域浅海声传播实验 SWARM’95 (Shallow 


Water Acoustics in a Random Medium) 发现由于  c 2 , z 2 6 z 6 H,
孤子内波的影响，导致声场能量有 1∼7 dB 的起 其中，c 1 和 c 2 分别表示温跃层上下声速，z 1 和 z 2 分
伏 [2−5] 。2001 年 –2003 年，蔡树群等 [6] 分析了南中 别表示温跃层上下边界的深度，ξ(c 1 − c 2 )/(z 1 − z 2 )
国海北部孤子内波现象，讨论了目前南中国海孤子 为温跃层声速负梯度。
内波研究中存在的一些问题。2011 年，李整林等 [7]
0
分析了孤子内波引起的高号简正波到达时间起伏。 5
声场水平相干特性是影响声呐阵探测性能的 10
重要因素。导致声场水平纵向相关下降的主要因素 15
有介质的不均匀性和多途干涉，通过研究孤子内波 ງए/m 20
对水平纵向相关性的影响，对分析孤子内波海域声 25
呐探测具有重要的意义。由于海洋介质的不均匀 30
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性、海底不平、多途效应都会对声场的水平纵向相
40
关性产生影响，因此对水平纵向性的研究得到了广 1400 1450 1500 1550 1600
ᤴए/(mSs -1 )
泛的关注。宋俊等 [8] 从物理意义上研究分析了浅
海孤子内波存在下水平纵向相关性的周期性变化。 图 1 水平波导声速剖面图
Guo 等 [9] 、Li 等 [10] 研究了水平纵向相关性半径与 Fig. 1 Horizontal waveguide sound velocity profile
频率和距离的关系。胡治国等 [11] 研究了深海不平
1.2 内波模型
海底对水平纵向相关性的影响。
本文采用常见的双曲正割剖面，如果满足浅海
在研究声场的特性与规律时，通常采用波动理
条件，则单个孤子内波的 KdV 方程的典型解析解
论、射线理论、简正波理论及抛物方程理论等声场
为 [2]
分析方法。抛物方程方法采用步进算法计算声场， ( r − R )
因此有利于计算环境参数随水平方向变化的声场。 η(r) = asech 2 ∆ , (2)
本文利用简正波理论对声线通过孤子内波后的声 其中，η(r)代表孤子内波随距离的位移，∆代表波包
压进行了理论推导，并通过声压来计算出两点之间 宽度，a 为孤子内波的幅度，r 为水平距离，R 为孤子
的水平纵向相关系数。然后通过二维抛物方程模型 内波中心位置。当传播路径上存在孤子内波时，声
(Range-dependent acoustic model, RAM)，仿真了 速表达式如下：