高海况下的声传播特性研究

More and more demands have been put forward for acoustic environmental information in high sea state with people's more and more profound rational understanding and exploration of the ocean. Sea surface roughness and the wind-generated bubbles are two significant factors of acoustic propagation in high sea state. However, on the one hand, the effect of bubbles on the reflection loss of sea surface boundary is seldom considered in the existing sea surface reflection loss models. It is urgent to add the refraction effect and attenuation effect of bubbles to the corresponding sea surface reflection loss models and sound propagation models. On the other hand, due to the restriction of sea surface vessel investigation, the experimental data of sound propagation characteristics under high sea state are extremely scarce. Consequently, the relevant sea surface reflection loss model and sound propagation model have not been fully tested and verified. In view of this, this project will, considering the influence of surface roughness and wind-generated bubbles, establish a reflection loss model and sound propagation model suitable for high sea state and carry out corresponding sea experiment research, using emitter buoys and receiver buoys, to obtain test data to test the established models, so as to provide an algorithmic model and data basis for sound field prediction and marine environmental monitoring in high sea state.

随着人们对海洋越来越深刻的理性认识与探索，对高海况条件下的声环境信息提出了越来越多的需求。高海况条件下风浪引起的粗糙海面和气泡层对声传播都有重要的影响。但是，一方面,现有的海面反射损失模型中，很少考虑气泡层对海面边界反射损失的影响，亟需在对应的海面反射损失模型和声传播模型中加入气泡层对声波的折射效应和消减效应；另一方面，由于受到水面船只调查形式的制约，高海况条件下的声传播特性试验数据极其缺乏，有关的海面反射损失模型和声传播模型也没有能够得到充分的试验验证。鉴于此，本项目将针对高海况条件，考虑粗糙界面和风浪气泡层的影响，建立适合高海况条件的海面边界反射损失模型以及声传播模型，并利用发射潜标和接收潜标开展相应的海上试验研究，获取试验数据并进行模型检验，为高海况下的声场预报和海洋环境监测提供算法模型和数据基础。

本项目主要是针对高海况条件下声场预报的需求，考虑了粗糙海面和气泡层对声传播的影响，开展了高海况条件下的声传播特性建模与分析研究，突破了高海况下的海面反射损失建模和海上试验数据获取等关键技术，建立了高海况下的声场计算模型，利用高海况（四到六级海况）下连续179小时的声传播数据对声传播模型进行了验证，填补了国内外在恶劣海况条件下的声传播建模及不同海况下长时间的声能量起伏追踪方面的空白，为高海况条件下声场预报和海洋环境监测提供声场模型和数据支撑。. 项目分析了起伏海面下风浪引起的气泡混合层对海面反射损失和对声传播的影响。一方面，气泡混合层会改变原来水中的声速剖面；另一方面，气泡混合层会对声波产生散射和吸收作用。考虑以上两方面的因素，分析了不同风速下气泡混合层对海面反射损失和声传播损失的影响，仿真发现，在风速大于10m/s时,对于2kHz以上频率时气泡混合层对小掠射角下海面反射损失的影响不可忽视。在给定的水声环境中，风速为13m/s时，在10km处气泡混合层对3kHz的声传播损失的影响达到2.5dB; 风速为16m/s时，在10km处气泡混合层对3kHz的声传播损失的影响达到4dB。另外，仿真发现，在浅海典型的负梯度环境中，起伏海面和气泡混合层对风浪搅动形成的近海面等温层中的声传播影响较大，对远离海面的深处负梯度层中的声传播则影响相对较小。. 在高海况下的海面反射损失建模研究中，综合考虑了风浪引起的粗糙海面和气泡层对海面反射损失的影响。在高海况下的声传播海上试验研究中，主要是通过理论和数值计算手段，总结和分析了高海况条件下声传播特性；构建了合适的海上试验系统，采用潜标发射和潜标接收方式，开展了高海况下的声传播试验，获取了高海况下179小时的声传播海上试验数据并进行处理分析，对高海况下声反射损失和声传播模型进行了验证。