Page 103 - 《应用声学》2023年第4期
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第 42 卷 第 4 期 曹景普等： 深海低声速沉积层简正波用于海底参数反演 765
无论是浅海环境还是深海环境，现有的地声参数反
0 引言
演方法普遍存在多值性和需要准确的水层环境参
数等问题，因此研究水层环境参数的影响以及解决
在我国南中国海北部大陆坡和深海盆地等区
多值现象是地声参数反演亟需解决的问题。
域，海底表面广泛存在着由较软的沉积物组成的沉
积层，该沉积层内的纵波声速小于底部海水声速，称 在 2018 年 5 月南中国海北部大陆坡海域开展
的一次海上实验中，Cao等 [12] 在坐底式水听器接收
之为低声速沉积层 [1] 。低声速沉积层中沉积物的声
的沉底弹信号中可以观察到一种具有特殊频散特
学参数对声波的传播损失、到达结构和波形变化都
征的到达结构，具体表现为低频成分先到、高频成
起着关键作用，进而影响声场准确预报、声源定位
分后至，具有较高的截止频率，称之为沉积层传播信
结果、声呐作用距离估算及水声通信等。因此，深海
号。经研究表明，沉积层传播信号只有在海底存在
低声速沉积层海底参数的获取对推动我国深海探
低声速沉积层且近海底收发时才会被观测到，由被
测研究以及深海海底沉积物中声波传播机理研究
限制在沉积层中传播的简正波组成。这类简正波的
具有重要的科学价值。获取海底底质参数的方法包
激发频率和频散特性与沉积层参数密切相关，被称
括直接测量法和间接测量法两种，其中以地声参数
为沉积层简正波 [12−13] 。本文基于简正波理论和双
反演为代表的间接测量方法能够快速低成本获取
层均匀液态海底模型，研究了等声速水层环境和实
局部海域的等效海底参数，一直是水声领域的研究
测水文环境下沉积层简正波的频散特性，提出一种
热点之一。
深海低声速沉积层海底的地声参数反演方法，并用
国内外关于低声速沉积层中声传播特性及其
2018 年南中国海北部大陆坡实验数据进行了实验
地声参数反演的研究虽然不多，但发展特别早。早
验证与反演，给出了低声速沉积层海底的厚度、声
在 1948 年，Press 等 [2] 总结了海底存在低声速沉积
速和密度参数。
层的实例，并利用简正波理论分析了包含低声速
沉积层时3 层均匀液态模型的本征方程及频散曲线
1 沉积层简正波基本理论与频散特性分析
图。1980年，Rubano [3] 基于4 层均匀液态浅海模型
分析了海底存在低声速沉积层时前两阶简正波的 1.1 3层均匀介质模型的频散方程
群速度频散曲线、特征函数和传播损失，发现低声速 考虑如图 1 所示的 3 层均匀液态介质模型，这
沉积层的存在会造成高频信号衰减，并反演得到了 3 层介质分别为海水层、沉积层和半无限基底层。
Corpus Christi沿岸的地声参数。Hastrup [4] 阐述并 其中，c i 、ρ i 分别为各层介质的声速和密度，其中
解释了浅海环境下声波在小掠射角入射低声速沉 i = 1, 2, 3。H 为海深，d是沉积层厚度。各层介质的
积层时海底反射损失出现的周期增大现象。李梦竹 声速满足c 2 < c 1 < c 3 。
等 [5] 在 Hastrup 基础上推导出小掠射角条件下传
播损失周期性增大的频率间隔与低声速沉积层参
数之间的解析表达式，并将之作为约束条件，提出一
๒ඵ
种低声速层海底的地声参数联合反演方法。
2017年春季，国外多家研究机构在新英格兰海 ງए/m c 1 ρ 1
域联合开展了一系列泥底特征实验 [6] ，其目的是研 H
ොሥࡏ c 2 ρ 2
究声波在低声速淤泥层中传播的物理机制，并验证
H⇁d
一些地声模型及其反演算法。基于这次实验，众多 ۳अ c 3 ρ 3
学者分别利用简正波频散特征 [7−8] 、广角宽带反射
数据 [9] 、宽带环境噪声垂直相关性 [10] 、多途到达时 图 1 水 平 不 变 的 3 层 均 匀 介 质 模 型， 满 足
间 [11] 等物理量反演了低声速淤泥层的地声参数。 c 2 < c 1 < c 3
上述关于低声速沉积层传播特性与地声参数 Fig. 1 A three-layer homogeneous model, satisfies
反演的研究是在浅海环境下进行的，现有的深海地 c 2 < c 1 < c 3
声参数反演研究通常基于全波场理论，未考虑不同 在分层介质中，根据积分变换法，总声场的积
模态传播特性的差异，具有计算量大的问题。此外， 分表达式可以表示为仅含汉克尔函数 H (1) (k r r) 的
0
