海底散射激发甚低频界面波机理

In the marine environment, the role of the seafloor media in very low frequency (VLF) propagation cannot be ignored. There are mainly three types of sound propagation patterns on the sea floor, namely body waves, interface waves and T waves. Among them, the frequency of the interface wave is low, the attenuation is small, there is no cutoff frequency, and it can be transmitted remotely. However, it is often difficult to excite and receive strong interface waves at the seabed interface due to the influence of the seafloor soft layer. In December 2017, the State Key Laboratory of Acoustic, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences conducted a very-low-frequency sound propagation experiment in the shallow water and deep water of South China Sea using very-low-frequency vector hydrophones, four-component ocean bottom seismometers (OBS) and explosive sources. A very low-frequency interface wave phenomenon excited by the seafloor scattering has been found, but its mechanism and characteristics are still unclear. This project will focus on the physical mechanism of interface waves generated by the scattering of very-low-frequency sound waves at the interface of submarine layered media in ocean waveguides, establish corresponding propagation theories and numerical models, study the influence of parameters such as source depth, frequency, sound grazing angle and seafloor sediment on the excitation characteristics of this interface wave, and provide theoretical support for the application of seafloor scattering interface wave in VLF detection, localization, and shear wave parameter inversion.

在海洋环境中，海底介质对甚低频声波传播的作用不可忽略。海底地声传播类型主要有三大类，即体波、界面波和T波。其中，界面波频率低，衰减小，无截止频率，可远程传播。然而，由于受到海底软沉积层的影响，在海底界面处激发和接收强的界面波通常比较困难。2017年12月，中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室利用甚低频矢量水听器和四分量海底地震仪、爆炸声源，在南海浅海和深海开展了一次甚低频声传播实验，观测到了一种由海底散射激发的甚低频界面波现象，但对其产生机理和特性尚不清楚。本项目将深入研究海洋波导中甚低频声波在海底分层介质界面上散射作用产生界面波的物理机理，建立相应的传播理论和数值模型，研究声源深度、频率、声波掠射角以及分层海底底质等参数对该界面波激发特性的影响，为开展海底散射界面波在甚低频检测、定位及海底横波参数反演等方面的应用提供理论支撑。

在海洋环境中，海底介质对甚低频声波传播的作用不可忽略。海底地声传播类型主要有三大类，即体波、界面波和T波。其中，界面波频率低，衰减小，无截止频率，可远程传播。然而，由于受到海底软沉积层的影响，在海底界面处激发和接收强的界面波通常比较困难。2017年12月，中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室利用甚低频矢量水听器和四分量海底地震仪、爆炸声源，在南海浅海和深海开展了一次甚低频声传播实验，观测到了一种由海底散射激发的甚低频界面波现象，但对其产生机理和特性尚不清楚。.本项目以实验中观察到的海底散射界面波为切入点，深入研究了海洋波导中甚低频声波在海底分层介质界面上散射作用产生界面波的物理机理，建立了起伏海底声场计算模型，研究了声源深度、频率、声波掠射角以及分层海底底质等参数对该界面波激发特性的影响，并开展了海上试验验证，实验和仿真结果表明：.Scholte波激发的必要条件是海底为弹性介质，其传播速度接近并小于弹性介质横波速度。硬质弹性海底条件下，浅海环境下声源离海底界面较近时，能够激发传播衰减较小的Scholte波并可在远距离接收。当海深较大，声源位于海面附近时难以激发强的Scholte波。Scholte波沿弹性介质界面传播，在两层介质中其幅度随离开界面的距离呈指数衰减，当海底水平不变时，若声源与海底距离是界面波波长的数倍，此时很难激发出界面波。而当海底存在起伏时，近海底的水听器可以接收到明显的Scholte波，其能量要强于水中声波，海底起伏有益于Scholte波的激发。在过渡海域和软沉积层较薄条件下，深海海底能有效接收浅海声源激发的强Scholte波，传播损失较水中声波要小得多。当满足强激发条件（如浅海、软质沉积层厚度小，海底附近或硬质弹性海底界面附近接收）时，Scholte能以甚低频率沿海底弹性界面远距离传播。.本项目研究了在海水中传播的纵波如何在海底界面处激发散射界面波及这种界面波的传播特性，为海底散射界面波在甚低频检测、定位及海底横波参数反演等方面的应用提供了理论支撑。