水饱和粒状介质的非线性声学特性研究

Nonlinearity is one of the most important characteristics for granular media. It not only performs the nonlinear variations of density, sound speed and attenuation with respect to media thickness, but also behaves the nonlinear relationships between sound speed, attenuation with wave frequency. Marine sediment is one kind of typically water-saturated granular media, which covers all over the seafloor. In order to acquire its geophysical parameters in situ, a sandy sediment model combined with Biot theory and Buckingham model will be developed. Geophysical parameters measurment for the sediment will be carried in Laboratory, including porosity, bulk density and dependence of sound speed and attenuation on sound wave frequency, which can be used to indicate the validity of the model. Besides that, a wideband measurement will be provided again which will reveal the nonlinear properties directly. And the variations of sound speed and attenuation with respect to the properties of sandy sediment can also be found. According to the given nonlinear properties of the media, geophysical parameters acquisition will be conducted using the quantities of sound reflection coefficient and backscattering intensity. By this way we hope to realize seafloor remote sensing quickly and accurately.

对于粒状介质而言，非线性是其重要的特征之一，不仅表现为密度、声速和衰减系数随粒状介质层厚度的非线性变化，而且这种介质中的声速和衰减与声波频率也存在着非线性关系。海底沉积物是一种典型的水饱和粒状介质，普遍存在于大洋中。为了准确预报其地球物理参数，项目将依据Biot理论和Buckingham模型等建立一种具有普遍适用性的粒状介质海底沉积物模型。在实验室条件下完成沙质沉积物地球物理特性的精确测量，包括孔隙度、容积密度，以及声速与衰减系数随频率的变化关系，以验证所建立模型的有效性。采用一种宽带测量方法用于直接获取声速和衰减系数随频率的变化关系，并揭示声速、衰减系数与沙质沉积物特性的联系。依据所获得的模型函数，开展基于反射系数和反向散射强度的海底参数反演方法研究，实现对海底参数快速而准确的遥测。

海洋沉积物是水下声信道的下边界，通常由颗粒物质和海水组成。沉积物的声学特性对声波在海洋中的传播、海底混响建模和掩埋目标探测具有相当大的影响。根据已有外场实验数据和模型预报结果可知，沉积物中纵波声速具有较大的频散，纵波衰减随着频率的增大而增大，且在不同频带内，衰减随频率变化速度不同，这就是介质的非线性。遗憾的是，实验测量得到的声速频散大于模型预测结果，并且在低频条件下测量获得的声速远低于模型预测值。这是长期困扰沉积物声学的难题，也是开展此项目研究的原因。为了揭示海洋沉积物地球物理参数与声学参数之间的关系，有必要给出正确可靠的声速数据和衰减数据，这或许是解决沉积物声学所遇到困难的唯一途径。因此，在可控条件下开展实验室测量是最重要的工作之一，我们已经在水槽中完成了高频段水饱和细砂沉积物的重复性测量实验。通过测量沉积物的部分物理参数，包括孔隙率、体积密度、颗粒质量密度和孔隙水密度，结合实验获取的声速和衰减数据已经很好地拟合了Biot模型的其它参数。高频段可重复实验提供了高质量的数据，更重要的是它们验证了测量中使用方法的准确性。由于模型测试的要求，中低频段数据对于该频带中的频散特别重要。考虑到在真实海洋沉积物中存在由微生物的活动等产生的气泡，以及人造沙质沉积物中的气泡，项目通过引入气泡体积振动提出了含气非饱和沙质沉积物声学模型，并且实验初步获得的衰减数据已经验证了气泡的影响。如果该模型是正确的，那么这将是沉积物声学建模研究最有价值的成果。除此之外，该模型也有望解释低频条件下水饱和沉积物声学模型和实验数据不一致的原因。另外，与传统的地声参数获取方法相比，项目将海洋沉积物声学模型引入到地声参数反演中，基于水-沉积物界面的声反射或声反向散射强度反演了沉积物声学参数。虽然我们不能准确地反演所有沉积物模型参数，但是它也成为了一种用来处理地声学参数反演中声速和介质密度耦合问题的可替代方法。