Page 6 - 《应用声学》2021年第6期

802 2021 年 11 月

在南中国海北部存在海深约300 ∼ 500 m的大
0 引言 陆坡海区，冬季时，上层水体中经常存在表面声道，

下层为一个负跃层剖面，且由于季风影响，经常存
我国东南沿海大陆坡浅海区域，冬季受强劲北
在较大涌浪。刘今等 [10] 在该海区的一次冬季声传
风作用，表层介质混合常形成等温层，从而构成表面
播实验中，发现受海面涌浪的影响，表面声道中传
声道，有利于声传播，但又因海面的不平整性而存在
播的频率为 1000 Hz 的脉冲声，其传播损失增长了
不利于声传播的一面。海面的不平整性主要因小尺
10 dB。本文在该文工作的基础上，继续对实验数据
度的海面风浪或降雨以及大尺度的涌浪而产生。为
进行深入分析，研究发现，涌浪海面还会对表面声道
了表述上的简洁，将这两种不平整海面统称为粗糙
以下的时域脉冲波形产生重要影响。爆炸声源产生
海面。
的单个脉冲 (不考虑多次脉动) 经多径传播后形成
关于粗糙海面对声场的影响的研究，国内外学
多个脉冲到达，理论分析和实验数据表明，由于涌浪
者开展了大量的工作。王先华等 [1] 对比两次声传播
的存在，表面声道以下的水听器接收到的第一个到
实验数据，发现实验环境均相同，只有海况不同，导
达的脉冲幅度明显增加。
致两次实验中声传播损失相差较大，研究了海面波

浪起伏对声传播的影响。Liu等 [2] 分析了随机起伏 1 粗糙海面建模
海面下声传播损失的统计特性，指出传播损失的分
布与频率、风速和距离有关。汪洋等 [3] 指出在浅海 为了分析粗糙海面对声波时域波形的影响，首
负跃层环境中，声源在近海面等温层中时，起伏海面 先需要进行粗糙海面建模。本文中所使用的是风浪
和气泡层对声传播影响较大，声源在远离海面的负 叠加涌浪的粗糙海面模型 [10] ，风浪部分采用PM 谱
跃层梯度环境中时，对声传播的影响较小。Badiey 结合蒙特卡洛的方法产生。涌浪部分采用正弦波的
等 [4] 在对一次实验数据的分析中，指出粗糙海面使 形式。
得信号波形展宽，相关性下降。以上研究主要针对 首先给出风浪海面的具体实现过程。粗糙海面
的是典型的浅海环境下的粗糙海面对声场的影响， 可以当作是具有随机振幅和相位的谐波叠加而成，
假设不考虑时变的一维粗糙海面的长度为 L，离散
未综合考虑表面声道的作用。
尹爽 [5] 假设了一个浅海 200 m 厚的表面声道， 点数为 N，则海面上任意一点 x n 的高度 f(x n ) 可表
示为如公式(1)所示 [11] ：
通过仿真分析指出，声源离海面越近、风速越大，粗
糙海面造成的声衰减越多，但是未进行实验验证。 1 N/2
∑
f(x n ) = F (k j )e ik j x n , (1)
Siderius等 [6] 基于实验数据，分析了浅海环境，存在 L
j=−N/2+1
表面声道时，时变的粗糙海面对声传播损失和时域
其中，x n = n∆x，n = −N/2 + 1, · · · , N/2，k j 为
波形的影响。姚美娟等 [7] 利用一次深海声传播实
离散波数，k j = 2πj/L，j = −N/2 + 1, · · · , N/2。
验数据，指出了对于中远距离声传播，浅海或者存在
f(x n )与F (k j )互为傅里叶变换，F (k j )的表达式如
表面声道的环境中，粗糙海面对传播损失的影响不
公式 (2)所示：
可忽视。
√
上述 3 个工作主要针对的是浅海或者深海环 F(k j ) = 2πLS (k j )
境，未考虑涌浪海面的作用。而涌浪所造成的粗糙 
N (0, 1) + iN (0, 1) , j ̸= 0, N/2,

海面会给声场造成更大的衰减。Vadov等 [8] 基于实 × (2)
 N (0, 1) , j = 0, N/2,
测数据对表面声道下的声衰减系数进行分析，发现
即使额外考虑上跟海况有关的散射衰减系数，也不 其中，N(0, 1) 表示均值为 0、方差为 1 的正态分布，
∗
足以解释实验中出现的较大衰减。指出在他们下一 F(k j ) 满足共轭对称的关系，即 F(k j ) = F(k −j ) 。
S (k j )为PM谱的表达式，如公式(3)所示：
步工作中，当风速较小时，需要考虑涌浪带来的声衰
( 2 )
减。Weston 等 [9] 在一次浅海实验中就涌浪可能会 α βg
S(k j ) = exp − 2 4 , (3)
对声压级造成的影响做了简单描述。 4|k j | 3 k U 19.5
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