Page 114 - 《应用声学》2023年第4期

776 2023 年 7 月

表 1 海洋环境参数 水池实验环境按 1 : 5000 的比例进行缩比，其
Table 1 Marine environmental parame- 中0.6 m水深对应 3000 m的海水深度，0.02 m 铜板
ters 对应 100 m 的玄武岩层，0.02 m 的铁板对应半无限
的橄榄岩基底。50 kHz 的声源对应了实际环境中
密度 纵波声速 横波声速
介质 的 10 Hz 的声源。由于实际水池环境无法做到半无
ρ/(g·cm −3 ) c p/(m·s −1 ) c s/(m·s −1 )
海水 1 1500 限大的铁板，在水池环境中铁板下面铺放了一层沙
玄武岩 2.7 5250 2500 子底。经过声场仿真，当声源频率为 50 kHz 时，
橄榄岩 3.28 6500 4000 “水 -铜板 -铁板” 的 3 层模型与实 际水池 “ 水 -铜
板 -铁板 -沙子” 的 4 层模型声场接近，即可以用
根据缩比原理，实验中若将声源频率增大 n 倍， 0.02 m 的铁板近似为半无限的基底层，图 2 为水池
环境中的所有几何参数都同时同比例缩小 n 倍。同 的剖面示意图。

时，各层的声学参数保持不变的话，两个声场即可近
似为一样的。 ඵ
60 cm
通过对比各种材料的横波声速、纵波声速等参 ծܦൃᑛ
数，水池环境中选择铜板代替玄武岩，选择铁板代替
ᨷ౜
橄榄岩作为基底。水池各介质参数如表2所示。 ᨡ౜
෢ߕअ

表 2 水池环境参数 图 2 水池剖面图
Table 2 Pool environmental parameters Fig. 2 Pool profile

密度 纵波声速 横波声速 通过 KRAKENC 声场仿真软件可以计算出水
介质 深度/m
ρ/(g·cm −3 ) c p/(m·s −1 ) c s/(m·s −1 )
池环境下的前5阶简正波模态，如图3所示。
水 0.6 1 1500
图 3 中纵轴为水池深度，横轴为模态的归一化
铜板 0.62 8.54 4640 2050
幅值。其中，0 阶模态就是 Scholte波的模态，1∼4 阶
铁板 0.64 7.7 5850 3230
模态为在水中正常传播的简正波模态。
0 0 0 0 0
0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
ງए/m 0.3 ງए/m 0.3 ງए/m 0.3 ງए/m 0.3 ງए/m 0.3

0.4 0.4 0.4 0.4 0.4

0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
0 0.5 1.0 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0
ࣨए ࣨए ࣨए ࣨए ࣨए
(a) ኄ0᫽വগ (b) ኄ1᫽വগ (c) ኄ2᫽വগ (d) ኄ3᫽വগ (e) ኄ4᫽വগ
图 3 水池环境的前 5 阶简正波模态
Fig. 3 The first 5 normal wave modes of the pool environment
2.2 实验结果分析 波分解获取 Scholte 波模态系数随声源深度的变化
文献 [8] 利用简正波分离识别 Scholte 波的方 以及改变垂直阵的接收距离 15 cm、20 cm、25 cm、
法，在缩比水池实验中测得了 Scholte波。其利用合 30 cm、50 cm、70 cm、90 cm 获取 Scholte 波模态系
成孔径组成 58 阵元的垂直阵对水深 60 cm 的水池 数随传播接收距离的变化，通过将实验结果与理论
环境进行全水深的信号采集。改变声源深度15 cm、 值对比，证明实验测得了 Scholte波。其实验结果如
25 cm、35 cm、45 cm、50 cm 和 55 cm，利用简正 图 4所示。