深海远程脉冲声传播特性研究

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深海远程脉冲声传播是深海远程水声通信、深海远程探测与定位、海洋声学层析及大洋声学测温等技术的物理基础。近年来,随着我国“走向深蓝”海洋战略的逐步实施,对深海远程声传播的研究成为热点。我国在深海远程声传播特性研究上已经取得了一些进展,但是对于传播距离达上千千米的研究更多的是局限于模型计算或理论分析,远程及超远程声传播实验研究较少。2013年7月,中国科学院声学所声场声信息国家重点实验室组织开展了西太平洋夏季声学实验。远程声传播实验是其重要实验内容之一,旨在研究深海远程脉冲声传播的现象和规律。实验海区位于典型的太平洋深海海域,海区内海深基本在5000m以上。实验中使用了线性调频信号和爆炸声信号两种脉冲声源,传播距离达上千千米,获得了大量的远程声传播数据。本文充分利用这次实验的远程声传播数据,通过理论仿真和实验分析,研究了深海远程脉冲声能量的衰减特性和典型深海环境下海底地形的变化、声速剖面的水平变化及海底声学特性的不均匀性对脉冲声的时间到达结构的影响机理。  本研究主要内容包括:⑴对西太平洋远程声传播数据进行了能量分析,获得传播距离达1029km的深海会聚区传播损失曲线、传播距离达943km的深海声道传播损失曲线及其随接收深度变化的曲线。使用抛物方程方法(RAM模型)和射线方法对上述传播损失的实验结果进行了理论分析和解释。结果表明,RAM模型能够准确预报深海中传播距离达上千千米的传播损失。在会聚区传播中,当海深大于临界深度时,海底对会聚区传播损失影响较小,反之影响较大。由于900-1000km处海底山强烈的声场作用,海山附近的两个会聚区的位置发生偏移。此外,在第一声影区观测到声波的异常衰减现象,提出海底声学参数水平变化的模型,可以很好地解释该异常现象。在深海声道传播中,海深对传播损失影响较小,且声能在声道轴附近最为集中,随着接收深度远离声道轴深度,传播损失有减小的趋势。⑵分析了海底地形变化对深海远程脉冲声时间到达结构的影响机理。结果表明,高次海底反射声因衰减严重,对远程声场贡献不大,在远距离处只能接收到较低次数的海底反射波、水中折射波以及海面反射波。当传播路径上某些距离处的海深小于临界深度时,这些距离处的海底地形起伏可能对大角度出射声线的时间到达结构有较大影响,这时需要考虑地形变化才可以准确预报出实测脉冲声的时间到达结构。当传播路径上海深变化较为平坦,海深大于临界深度时,海底反射波因与海底多次作用而严重衰减,一般只有水中折射波和海面反射波到达接收器,因此海底地形变化对远程脉冲声时间到达结构影响不大,使用海深大于临界深度的平海底环境即可准确预报出远程实测脉冲声的时间到达结构。⑶分析了声道中声速剖面的水平变化对深海远程脉冲声时间到达结构的影响机理。使用射线方法分析了声道中声速剖面水平不变和水平变化时943km和326km处声线的传播轨迹和时间到达结构特征。在两种水文环境下,具有相同出射角的声线的传播轨迹和传播时间相差较大。声道中声速剖面的水平变化对脉冲声时间到达结构影响较大,即使随距离变化较为缓慢的声速剖面仍可以导致声线到达结构的较大改变。⑷分析了海底深层声学结构对完全深海声道声影区声场的影响机理。使用简正波方法和射线方法对实验中37km处接收的爆炸声信号的时间到达结构进行了分析和解释,使用两层海底的地声模型时,计算结果不能解释实测结果中某些脉冲的时间到达结构,进而提出包含三层海底的地声模型,很好地解释了实测脉冲的时间到达结构。最后结合简正波理论,分析了深层海底沉积层对声波的反射机制,结果表明在声影区内沉积层的声学特性对声影区声场有较大影响。
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